KR20220164774A - Imaging device and method - Google Patents

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Abstract

3D 열 화상기, 신호 프로세서, 레이저, 광학 스캐너, 컨트롤러 및 신호 프로세서에 대한 입력으로서 2D 열화상을 생성하기 위해 복수의 저속 열 검출기를 작동시키는 바이모달 어레이를 포함하는 화상화 장치. 컨트롤러는 바이모달 어레이, 레이저, 광학 스캐너 및 열화상 카메라를 미리 결정된 순서로 작동시켜 3D 열 화상화를 생성하기 위하여 2D 열화상을 거리 데이터와 인터레이싱하는 신호 프로세서로의 전달을 위해 거리 데이터를 도출한다. 방법은, 타겟으로부터 복귀된 방출 레이저 펄스로부터 검출되는 아날로그 신호를 도출하기 위해 저속 응답 열 검출기를 사용하고, 검출 신호를 비동기식으로 샘플링하여 검출 신호의 상승 및 감쇠 부분에 대응하는 2개의 시간 이벤트 시리즈를 도출한다. 비행 시간 및 거리는 2개의 시간 이벤트 시리즈를 이용함으로써 계산된다.An imaging device comprising a 3D thermal imager, a signal processor, a laser, an optical scanner, a controller and a bimodal array operating a plurality of slow thermal detectors to generate 2D thermal images as inputs to the signal processor. The controller operates the bimodal array, laser, optical scanner, and thermal imaging camera in a predetermined sequence to derive distance data for delivery to a signal processor that interlaces the 2D thermal image with the distance data to create a 3D thermal image. do. The method uses a slow response thermal detector to derive an analog signal detected from an emitting laser pulse returned from a target, and asynchronously samples the detection signal to obtain a series of two time events corresponding to rising and decaying portions of the detection signal. derive Flight times and distances are calculated by using two time event series.

Figure pct00013
Figure pct00013

Description

화상화 장치 및 방법Imaging device and method

본 개시 내용은 3D 카메라 및 거리 측정(range finding)을 위한 방법에 관한 것으로, 특히, 열 화상화(thermal imaging)을 수행하고, 거리를 측정하고, 거리를 2D 열화상과 인터레이싱하여, 관찰된 풍경으로부터 2D 화상 및 3D 화상화 데이터를 도출하기 위하여 광학 스펙트럼의 열 범위 내에서 저속 응답 검출기(slow response detectors)를 활용하는 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to a 3D camera and a method for range finding, in particular, by performing thermal imaging, measuring distance, interlacing the distance with a 2D thermal image, and Apparatus utilizing slow response detectors within the thermal range of the optical spectrum to derive 2D and 3D imaging data from landscapes.

화상화 장치 또는 화상화 디바이스는 업계에 잘 알려져 있으며, 2D에서의 열 화상화를 위해 그리고 3D 화상화 데이터를 획득하기 위해, 예를 들어 거리 측정의 분야에서 다양한 목적을 위해 광범위하게 작동된다. 사용 가능한 정교한 디바이스에 따른 하나의 단점은 고품질을 필요로 하고 이에 따라 고가의 신호 검출기를 필요로 하는 이의 구성이다. 다른 단점은 높은 비용과 낮은 신뢰성으로 인하여 냉각식(cooled) 열 검출기를 사용해야할 필요가 있다는 것이다. 또 다른 단점은 이러한 디바이스가 특정 용도에 전용이라는 점이다. 예를 들어, 거리를 측정하기 위한 하나의 거리 측정기, 온도를 구별하기 위한 하나의 2D 열 화상기(imager) 및 3D 화상화를 획득하기 위한 하나의 3D 화상기가 그 예이다.Imaging apparatus or imaging devices are well known in the art and are widely used for thermal imaging in 2D and for obtaining 3D imaging data, for various purposes, for example in the field of distance measurement. One drawback with the sophisticated devices available is their construction which requires high quality and therefore expensive signal detectors. Another disadvantage is the need to use cooled thermal detectors due to their high cost and low reliability. Another disadvantage is that these devices are dedicated to a specific application. For example, one distance finder to measure distance, one 2D thermal imager to distinguish temperature and one 3D imager to acquire 3D imaging are examples.

따라서, 하나의 장치 내에 복수의 화상화 디바이스를 결합할 수 있는 장치를 제공하는 것이 유리할 것이다. 예를 들어, 거리 측정기의 특징과 2D 열 화상기의 특징을 통합하고 결합하며, 또한 비냉각식(uncooled) 저속 응답 검출기를 사용함으로써 감당할 수 있지만, 최고급 장비와 동일한 결과를 제공하는 3D 화상화 카메라를 제공하는 것이 유리할 것이다.Accordingly, it would be advantageous to provide an apparatus capable of combining a plurality of imaging devices into one apparatus. For example, a 3D imaging camera that integrates and combines the features of a range finder with the features of a 2D thermal imager, and also uses an uncooled slow response detector, which can be afforded but delivers the same results as top-of-the-line equipment. It would be advantageous to provide

[관련 기술에 대한 설명][Description of related technologies]

플럭스 φe(t)의 입사광 복사에 대한 응답으로서의 광 검출기 상의 전하 캐리어의 양에서의 변화에 관하여 아래에서 도출되는 수학식은, 아래에서 Dereniak이라고 하는, E.L. Dereniak 및 G.D. Boreman의 "Infrared Detectors and Systems", Chapter 5, para. 5.6 pp.190-192에 기초한다.The equation derived below for the change in the amount of charge carriers on a photodetector as a response to incident light radiation of the flux φe(t) is given by E.L. Dereniak and G.D. Boreman, "Infrared Detectors and Systems", Chapter 5, para. Based on 5.6 pp.190-192.

또한, 기상 현상을 선택적으로 감지하는 것을 포함하여 대상을 감지하기 위한 화상 검출기를 언급하는 2020년 1월 23일자 MAIMON Shimon의 W02020/018600와, Margarit, Josep Maria, et al. 등의 "A 2 kfps sub-μ W/Pix uncooled-PbSe digital imager with 10 bit DR adjustment and FPN correction for high-speed and low-cost MWIR applications." IEEE Journal of Solid-State Circuits 50.10 (2015): 2394-2405가 관련된다.Also, MAIMON Shimon, W02020/018600, dated January 23, 2020, which mentions an image detector for detecting objects, including selectively detecting meteorological phenomena, and Margarit, Josep Maria, et al. "A 2 kfps sub-μ W/Pix uncooled-PbSe digital imager with 10 bit DR adjustment and FPN correction for high-speed and low-cost MWIR applications." IEEE Journal of Solid-State Circuits 50.10 (2015): 2394-2405 is related.

본 명세서에서 설명되는 실시예들의 과제는 거리 측정을 2D 열화상과 결합하는 3D 화상화를 위한 장치 및 장치의 구현 방법을 개시하는 것이다. 장치는 신호 프로세서, 레이저 디바이스, 광학 스캐너 및 컨트롤러를 포함한다.An object of the embodiments described herein is to disclose an apparatus for 3D imaging that combines a distance measurement with a 2D thermal image and a method of implementing the apparatus. Devices include signal processors, laser devices, optical scanners and controllers.

예시적인 실시예에 따른 장치의 특성은 높은 거리 해상도를 갖는 3D 화상화를 위한 저속 응답 열 검출기의 사용이다. 저속 응답 검출기는 일반적으로 사용 가능하며 유리하게 가격이 책정된다. 장치는 2D 열화상을 거리 데이터와 결합하고 그로부터 3D 열화상을 생성한다.A feature of the device according to the exemplary embodiment is the use of a slow response thermal detector for 3D imaging with high distance resolution. Slow response detectors are generally available and are advantageously priced. The device combines the 2D thermal image with the distance data and creates a 3D thermal image from it.

예시적인 실시예에 따른 장치의 추가 특성은 표준 열화상화 또는 거리 측정을 위한 비동기 픽셀 샘플링을 생성하는 저속 응답 열 검출기(THRDTC)의 바이모달 어레이(bimodal array)(BMDARR)의 사용이다. 바이모달 어레이는 컨트롤러에 의해 명령되며 복수의 저속 응답 열 검출기를 포함한다. 또한, 바이모달 어레이는 각각의 저속 응답 열 검출기의 사용에 의해 2D 열화상 및 정확한 거리 데이터를 생성하도록 설계된다. 어레이 내의 각각의 저속 응답 열 검출기에 의해 수집된 2D 열화상과 거리 데이터는 모두 신호 프로세서로 전달된다.An additional feature of the device according to the exemplary embodiment is the use of a bimodal array of slow response thermal detectors (THRDTC) (BMDARR) to produce asynchronous pixel sampling for standard thermography or distance measurement. The bimodal array is commanded by a controller and includes a plurality of slow response thermal detectors. Also, the bimodal array is designed to generate 2D thermal images and accurate distance data by use of respective slow response thermal detectors. Both the 2D thermal image and distance data collected by each slow-response thermal detector in the array are passed to the signal processor.

컨트롤러는 레이저, 광학 스캐너 및 열 화상기의 각각의 저속 응답 열 검출기를 작동시키도록 더 구성된다. 이에 의해, 컨트롤러는 레이저, 광학 스캐너 및 열 화상기의 열 검출기를 작동시켜 그로부터 거리 데이터를 도출할 수 있다. 그 거리 데이터는 복수의 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)을 도출하는 데 전용인 픽셀 샘플링 회로의 사용에 의해 수집된다. 이러한 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)은 신호 프로세서에 전달되는 샘플링된 검출 신호(DS)로부터 도출된다.The controller is further configured to operate each slow response thermal detector of the laser, optical scanner and thermal imager. This allows the controller to operate the laser, optical scanner and thermal detector of the thermal imager and derive distance data therefrom. The distance data is collected by use of a pixel sampling circuit dedicated to deriving a plurality of time event couples (t1i, t2i). These time event couples t1i and t2i are derived from the sampled detection signal DS which is passed to the signal processor.

마지막으로, 신호 프로세서는 어레이 내의 저속 응답 열 검출기의 응답 시간에 비해 정확도가 훨씬 더 우수한 정확도로 거리를 계산하도록 구성된다. 신호 프로세서는 2D 열화상을 거리 데이터와 인터레이싱하여 거리 데이터를 2D 열화상과 조합한 3D 열 화상화를 생성할 수 있다.Finally, the signal processor is configured to calculate the distance with an accuracy much better than the response time of the slow response thermal detectors in the array. The signal processor may interlace the 2D thermal image with the distance data to create a 3D thermal image by combining the distance data with the 2D thermal image.

바이모달 어레이가 복수의 저속 응답 열 검출기를 포함하고, 이러한 열 검출기 각각은 2D 열화상 및 3D 화상에서 하나의 픽셀을 생성한다는 것이 주목된다.It is noted that the bimodal array includes a plurality of slow response thermal detectors, each of which produces one pixel in a 2D thermal image and a 3D image.

또한, 거리 측정을 2D 열화상과 조합한 3차원 화상화를 위한 장치를 구성하고 구현하기 위한 방법이 제공된다. 장치는 3D 열 화상기, 신호 프로세서, 레이저, 광학 스캐너 및 컨트롤러를 포함한다. 장치는 검출된 아날로그 신호로부터 데이터를 도출하기 위해 저속 응답 열 검출기(THRDTC)를 사용한다. 아날로그 신호는 타겟으로부터 복귀된 방출 레이저 펄스(LP)에 대한 응답일 수 있다. 장치는 검출 신호를 비동기식으로 샘플링하고 그로부터 데이터를 도출하도록 구성된다. 이러한 도출된 데이터는 각각 t1i 및 t2i로 표시된 2개의 시리즈의 시간 이벤트를 포함할 수 있다.Also provided is a method for constructing and implementing an apparatus for 3D imaging that combines distance measurements with 2D thermal imaging. The device includes a 3D thermal imager, signal processor, laser, optical scanner and controller. The device uses a slow response thermal detector (THRDTC) to derive data from the detected analog signal. The analog signal may be a response to an emitting laser pulse (LP) returned from the target. The apparatus is configured to asynchronously sample the detection signal and derive data therefrom. This derived data may include two series of time events denoted t1i and t2i, respectively.

장치는 수학식의 사용에 의해 비행 시간(time of flight)(TOF)과 동일한 시간 길이(Tbg)를 데이터로부터 도출하도록 더 구성된다. 이러한 수학식은 수학식 3 및 수학식 4.1 내지 4.3 중 하나를 포함한다. 그 후, 타겟(TRGT)까지의 거리(R)가 수학식 5의 사용에 의해 계산된다.The apparatus is further configured to derive from the data a length of time (Tbg) equal to a time of flight (TOF) by use of a formula. This equation includes one of Equation 3 and Equations 4.1 to 4.3. Then, the distance R to the target TRGT is calculated by use of equation (5).

[기술적 문제][Technical Issues]

하나의 문제는 저속 응답 검출기 디바이스를 사용하는 거리 측정을 위한 장치의 구현에 관한 것으로, 저속 응답은 광학 스펙트럼의 열 영역에서의 작동에 대해 상대적으로 저속 시간 응답을 갖는 냉각식(cooled) 또는 비냉각식(uncooled) 열 검출기의 사용을 의미한다. 저속 시간 응답은 거리 측정의 원하는 시간 종속 해상도에 비해 느리다는 것을 의미하지만, 원하는 거리 측정 해상도에 대하여 정확한 거리 측정기로서 기능한다. 광학 스펙트럼의 열 영역은 2㎛ 내지 14㎛의 광학 파장 범위로서 정의된다.One problem relates to the implementation of an apparatus for distance measurement using a slow response detector device, cooled or uncooled, having a relatively slow time response for operation in the thermal region of the optical spectrum. Refers to the use of uncooled heat detectors. A slow time response means that it is slow relative to the desired time dependent resolution of the ranging, but serves as an accurate range finder for the desired ranging resolution. The thermal region of the optical spectrum is defined as the range of optical wavelengths from 2 μm to 14 μm.

다른 문제는 전체 풍경 또는 이의 선택된 부분의 3D 열화상을 획득하기 위해, 장치(APP)에서 관찰된 풍경의 3D 화상화를 2D 열화상과 어떻게 통합하는지 이다. 2D는 2차원을 의미하고, 3D는 3차원을 의미한다.Another problem is how to integrate the 3D imaging of the landscape observed in the device APP with the 2D thermal imaging, in order to obtain a 3D thermal image of the whole landscape or selected parts thereof. 2D means two dimensions, and 3D means three dimensions.

도 1a는 일반적으로 사용되는 거리 측정 디바이스의 작동 원리를 도시한다. 일반적인 거리 측정기는 레이저 생성 디바이스(lasing device)(LSR)에 의해 타겟(TRGT)을 향하여 방출된 레이저 펄스(LP)가 타겟(TRGT)에 부딪히고 그로부터 광 검출기(DTCT)(또는 짧게는 검출기(DTCT))로 복귀하는 데 걸리는 시간인 비행 시간(TOF)을 측정한다. 그 다음, 거리(R)는 도출된 비행 시간(TOF)의 절반에 광속을 곱하여 계산될 수 있다.1A shows the principle of operation of a commonly used distance measuring device. In a general distance measuring device, a laser pulse LP emitted toward a target TRGT by a laser generating device LSR hits the target TRGT and a photodetector DTCT (or short detector DTCT) is detected therefrom. ) measures the time-of-flight (TOF), which is the time it takes to return to Then, the distance R can be calculated by multiplying the speed of light by half the derived time-of-flight (TOF).

명백하게, 거리 측정의 정확도는 비행 시간(TOF)의 측정 정확도에 따라 달라진다.Clearly, the accuracy of distance measurement depends on the measurement accuracy of time-of-flight (TOF).

이를 위해, 이러한 일반적인 정확한 거리 측정기는 거리 측정의 해상도에 종속하는 원하는 시간 해상도(dt)보다 짧은 시정수(τ)와, 시정수(τ)와 동일한 차수의 시간 크기를 갖는 도 1b에 도시된 좁은 펄스 폭(PW)을 갖는 레이저 펄스(LP)를 모두 필요로 한다.To this end, such a general accurate distance finder has a time constant (τ) shorter than the desired time resolution (dt), which depends on the resolution of the distance measurement, and a time scale of the same order as the time constant (τ), as shown in FIG. Both laser pulses (LP) with a pulse width (PW) are required.

도 1b는 타겟(TRGT)을 향해 방출되고 그로부터 복귀되는 짧은 레이저 펄스(LP)의 시간 시퀀스와, 종래 기술에 따른 거리 측정 디바이스로 작동하는 고속 응답 광 검출기(DTCT)에 의해 레이저 펄스(LP)로부터 도출된 검출 아날로그 신호(DS)를 도시한다. 비행 시간(TOF)도 도 1b에 도시된다.1 b shows the time sequence of short laser pulses LP emitted towards and returning from the target TRGT and from the laser pulse LP by a fast response photodetector DTCT operating as a distance measuring device according to the prior art. The derived detection analog signal DS is shown. The time-of-flight (TOF) is also shown in FIG. 1B.

거리 측정기로부터 멀리 타겟(TRGT)을 분리하는 거리를 도출하는 데 일반적으로 사용되는 수학식은 다음과 같다:The equation commonly used to derive the distance separating the target (TRGT) away from the range finder is:

R = c*TOF/2 (수학식 1)R = c*TOF/2 (Equation 1)

여기서, R은 거리이고, c는 광속이고, 레이저 펄스의 방출 시간으로부터 검출기 신호(DS)의 생성 시작까지 측정된 시간이 양방향으로 타겟(TRGT)으로 이동하고 그리고 검출기(DTCT)로 다시 이동하는 데 빛이 걸린 시간과 동일하기 때문에, TOF/2는 비행 시간(TOF)을 2로 나눈 것이다.where R is the distance, c is the speed of light, and the time measured from the emission time of the laser pulse to the start of generation of the detector signal DS travels in both directions to the target TRGT and back to the detector DTCT. TOF/2 is the time-of-flight (TOF) divided by 2, since it is equal to the time taken by light.

예를 들어, 5 m의 거리 정확도 측정값을 획득하기 위하여, 필요한 시간 해상도(dt)는 빛이 5m 왔다 갔다 이동하는 시간이며, 이는 약 33 ns이다. 따라서, 1 ns 미만의 시정수(τ)를 갖는 저속 응답 검출기(DTCT)가 이러한 정확도로 거리(R)를 측정하는데 필요하다. 많은 저속 응답 검출기(DTCT), 특히 저속 응답 열 검출기(THRDTC)는 몇 ㎲ 내지 몇 ms 범위의 시정수(τ)를 갖기 때문에, 동일한 거리 측정 정확도가 저속 응답 검출기(DTCT)로 성취될 수 있다면, 유리할 것이다.For example, to obtain a distance accuracy measurement of 5 m, the required temporal resolution (dt) is the time it takes for light to travel back and forth 5 m, which is approximately 33 ns. Therefore, a slow response detector (DTCT) with a time constant (τ) of less than 1 ns is required to measure the distance R with this accuracy. Since many slow response detectors (DTCTs), especially slow response thermal detectors (THRDTCs), have time constants (τ) in the range of a few μs to a few ms, if the same ranging accuracy can be achieved with a slow response detector (DTCT), It will be advantageous.

또 다른 문제는 장치(APP)를 LIDAR(Light Imaging Detection And Ranging device)로서 사용하고 LIDAR에 의해 측정된 거리와의 인터레이싱을 위해 관찰된 풍경으로부터 2D 열화상을 도출하는 능력에 관한 것이다. 다시 말해, 측정된 거리를 2D 화상 픽셀과 조합하여 타겟이 된 대상(object)의 3D 열 표현 또는 3D 열화상을 형성하는 장치(APP)의 능력이다. 3D 열 표현은 대상의 길이, 폭 및 깊이뿐만 아니라 이의 상대 온도를 포함하는 대상의 표면 및/또는 치수의 수학적 표현이다.Another issue concerns the ability to use the device (APP) as a Light Imaging Detection And Ranging device (LIDAR) and derive a 2D thermal image from the observed landscape for interlacing with the distance measured by the LIDAR. In other words, it is the ability of the device (APP) to combine measured distances with 2D image pixels to form a 3D thermal representation or 3D thermal image of a targeted object. A 3D thermal representation is a mathematical representation of the surface and/or dimensions of an object including its length, width and depth as well as its relative temperature.

일반적인 LIDAR 시스템은 3D 표현을 생성하기 위하여 단일 검출기 또는 검출기 어레이로서의 고속 응답 검출기(DTCT)와 단펄스(short-pulse) 레이저(LSR)를 사용한다. 광학 스펙트럼의 근적외선 영역에서 작동하는 LIDAR는 상업적으로 이용 가능하지만, 동일한 풍경의 3D 화상화와 조합하여 관찰된 풍경의 2D 열화상을 획득할 수 없다.A typical LIDAR system uses a fast response detector (DTCT) and a short-pulse laser (LSR) as a single detector or array of detectors to create a 3D representation. LIDARs operating in the near-infrared region of the optical spectrum are commercially available, but cannot acquire 2D thermal images of the observed landscape in combination with 3D imaging of the same landscape.

픽셀 사이의 상대 온도를 나타내는 2D 열화상에 포함된 데이터와, 각각의 픽셀까지의 상이한 거리를 나타내는 3D 화상에 포함된 데이터는 서로를 보완한다. 고급 화상 처리, 알고리즘 및 인공 지능을 위해, 양자가 하나의 3D 열 표현 또는 열화상으로서 인터레이싱되어 표현된다면 유리할 것이다. 저속 응답 듀얼 모드 열 검출기 어레이(또는 짧게는 바이모달 어레이(BMDARR))에 기초하는 이러한 3D 열 표현을 획득하기 위한 장치(APP)는 비용 효율성 및 설계의 단순성을 위해 더 유리할 수 있다.Data included in the 2D thermal image representing the relative temperature between pixels and data included in the 3D image representing the different distances to each pixel complement each other. For advanced image processing, algorithms and artificial intelligence, it would be advantageous if both were represented as a single 3D thermal representation or interlaced as a thermal image. An apparatus (APP) for obtaining such a 3D thermal representation based on a slow response dual mode thermal detector array (or bimodal array (BMDARR) for short) may be more advantageous for cost effectiveness and simplicity of design.

첫 번째 문제를 해결하기 위해, 저속 응답 열 검출기(THRDTC)의 사용에 의해 거리(R)를 측정하는 방법이 이제 설명된다.To address the first problem, a method of measuring distance R by use of a slow response thermal detector (THRDTC) is now described.

도 1은 시간 t = 0에서 방출된 레이저 펄스(LP)의 진폭 대 시간의 그래프를 개략적으로 도시한다. 레이저 펄스(LP)의 진폭은 상승 시간(tr)을 통해 안정기(plateau)까지 상승한 다음, 하강 시간(tf)을 통해 하강하고, 저속 응답 검출기(THRDTC)의 시정수(τ)보다 시간적으로 더 오래 지속되는 펄스 폭(PW)을 갖는다. 시정수(τ)는 도면 도시되지 않는다.Figure 1 schematically shows a graph of amplitude versus time of a laser pulse LP emitted at time t = 0. The amplitude of the laser pulse LP rises to a plateau through a rise time tr and then falls through a fall time tf, taking longer than the time constant τ of the slow response detector THRDTC. It has a sustained pulse width (PW). The time constant τ is not shown in the figure.

도 1은 타겟(TRGT)을 향하여 방출되고 그로부터 복귀되는 레이저

Figure pct00001
펄스(LP)로부터 저속 시간 응답 검출기(THRDTC)에 의해 도출된 검출 신호(DS)를 더 도시한다. 검출 신호(DS)가 비행 시간(TOF)의 마지막에서 시작하기 때문에, 검출 신호(DS)의 시작 시간은 이에 따라 시간 Tbg이다. 정의에 따르면, 시간 Tbg는 비행 시간(TOF), 즉 레이저 디바이스(LSR)에 의해 타겟(TRGT)을 향해 방출된 레이저 펄스(LP)가 타겟(TRGT)에 부딪히고 그로부터 복귀하는 데 걸리는 시간과 같다. 따라서 다음과 같다:1 shows a laser emitted toward and returning from a target TRGT.
Figure pct00001
It further shows the detection signal DS derived by the slow time response detector THRDTC from the pulse LP. Since the detection signal DS starts at the end of the time of flight TOF, the start time of the detection signal DS is thus time Tbg. By definition, the time Tbg is equal to the time of flight TOF, i.e. the time it takes for the laser pulse LP emitted by the laser device LSR towards the target TRGT to hit the target TRGT and return from it. . So:

TOF = Tbg (수학식 2)TOF = Tbg (Equation 2)

도 1에 도시된 바와 같이, 검출 신호(DS)는 비행 시간(TOF)의 마지막으로부터 검출 신호(DS)의 최대 세기에 도달하는 시간 Tpeak까지 기하급수적으로 상승하고, 이후 검출 신호(DS)는 기하급수적으로 감소한다. 이제 검출 신호(DS)의 샘플링, 특히 비동기 샘플링 방법이 참조된다.As shown in FIG. 1, the detection signal DS rises exponentially from the end of the time of flight TOF to the time Tpeak reaching the maximum intensity of the detection signal DS, and then the detection signal DS rises geometrically. decrease exponentially Reference is now made to sampling of the detection signal DS, in particular to an asynchronous sampling method.

도 2는 검출 신호(DS)의 비동기 샘플링을 도시하고, 도 3은 이러한 샘플링 프로세스의 특정 결과를 도시한다.Fig. 2 shows an asynchronous sampling of the detection signal DS, and Fig. 3 shows a specific result of this sampling process.

정의에 따르면, 비동기 샘플링 방법은 검출 신호(DS)의 상승 부분(ta) 및 감쇠 부분(td) 모두를 샘플링하고, 샘플링은 일정하고 동일한 진폭 레벨(AMPLVLi)의 순차적이고 연속적인 진폭 단계로 진행한다.According to the definition, the asynchronous sampling method samples both the rising part ta and the attenuating part td of the detection signal DS, and the sampling proceeds in sequential and successive amplitude steps of constant and equal amplitude level AMPLVLi. .

도 2에서, 진폭 레벨(AMPLVLi) 사이를 분리하는 진폭 간격은 일정하지만, 비동기 샘플링의 연속적인 시간 이벤트 사이를 분리하는 시간 간격에 대해서는 그렇지 않다. 각각의 진폭 레벨(AMPLVi)에 대해, 비동기 샘플링 방법은 2개의 시간 이벤트에 대응하는 2개의 샘플링된 신호를 도출한다. 제1 시간 이벤트(t1i)는 검출 신호(DS)의 상승 부분(ta)은 대한 것이고, 제2 시간 이벤트(t2i)는 검출 신호(DS)의 감쇠 부분(td) 대한 것이다. 따라서 하나의 동일한 진폭 레벨(AMPLVLi)에 대한 인덱스 i, 상승 부분 동안 시간 이벤트의 발생에 대한 인덱스 j = 1 및 샘플링된 검출 신호(DS)의 감쇠 부분에 대한 인덱스 j = 2에 따라, 진폭 레벨은 AMPLVLi로 표시될 수 있고, 비동기 시간 샘플링은 tji로 표시될 수 있다. 인덱스 i는 1 내지 n의 정수이고, 인덱스 j는 1 또는 2이다. 도 2에서, 예를 들어, i = 3인 진폭 레벨 또는 AMPLVL3의 경우, 시간 이벤트 tji의 대응하는 값은 tl3 및 t23이다.In Fig. 2, the amplitude interval separating the amplitude levels AMPLVLi is constant, but not the time interval separating successive time events of asynchronous sampling. For each amplitude level (AMPLVi), the asynchronous sampling method derives two sampled signals corresponding to two time events. The first time event t1i is for the rising part ta of the detection signal DS, and the second time event t2i is for the attenuating part td of the detection signal DS. Thus, according to index i for one equal amplitude level (AMPLVLi), index j = 1 for the occurrence of the time event during the rising part and index j = 2 for the decaying part of the sampled detection signal DS, the amplitude level is It can be denoted as AMPLVLi, and asynchronous time sampling can be denoted as tji. Index i is an integer from 1 to n, and index j is 1 or 2. In Fig. 2, for example, for an amplitude level of i = 3 or AMPLVL3, the corresponding values of time event tji are tl3 and t23.

도 3은 진폭 레벨(AMPLVLi) 사이를 분리하는 진폭 간격이 일정한 반면, 2개의 시간 이벤트(tji) 사이를 분리하는 거리는 검출 신호(DS)의 형태에 의존한다는 것을 명확하게 도시한다. 또한, 도 3은 샘플링된 신호(SIGSMP)가 3개의 상이한 진폭 레벨(AMPLVL)을 갖는 특정 경우를 예시한다. 더욱 일반적인 경우에, 타겟의 거리(R), 방사율과 같은 타겟의 방사 특성(radiometric property) 및 진폭 레벨(AMPLVLi) 사이를 분리하는 진폭 간격(INTVL)에 따라 복수의 진폭 레벨(AMPLVLi)이 생성될 수 있다.Fig. 3 clearly shows that the amplitude interval separating the amplitude levels AMPLVLi is constant, whereas the distance separating the two time events tji depends on the shape of the detection signal DS. 3 also illustrates a specific case in which the sampled signal SIGSMP has three different amplitude levels AMPLVL. In a more general case, a plurality of amplitude levels (AMPLVLi) will be generated depending on the distance (R) of the target, a radiometric property of the target, such as emissivity, and an amplitude interval (INTVL) separating the amplitude levels (AMPLVLi). can

2개의 시간 이벤트 시리즈, 즉 t1i 및 t2i는, 다음의 수학식들의 사용에 의해, 도 1, 2 및 3에 도시된 검출 신호(DS)의 시작 시간(Tbg)을 계산하는 데 사용될 수 있다.The two time event series, t1i and t2i, can be used to calculate the start time Tbg of the detection signal DS shown in Figs. 1, 2 and 3 by use of the following equations.

상승 시간(tr) 및 하강 시간(tf)이 약 0이거나 0에 가까워 이에 따라 tr

Figure pct00002
tf
Figure pct00003
0일 때, 검출 신호(DS)의 시작 시간(Tbg)은 다음의 수학식 3을 사용하여 계산될 수 있다:The rise time (tr) and fall time (tf) are approximately zero or close to zero, so that tr
Figure pct00002
tf
Figure pct00003
When 0, the start time Tbg of the detection signal DS can be calculated using Equation 3:

Figure pct00004
(수학식 3)
Figure pct00004
(Equation 3)

다른 경우에, 검출 신호 시작 시간(Tbg)은 다음의 3개의 수학식, 즉 수학식 4.1 내지 수학식 4.3의 사용에 의해 계산될 수 있다:In other cases, the detection signal start time Tbg can be calculated by using the following three equations, Equations 4.1 to 4.3:

Figure pct00005
(수학식 4.1)
Figure pct00005
(Equation 4.1)

Figure pct00006
(수학식 4.2)
Figure pct00006
(Equation 4.2)

Figure pct00007
(수학식 4.3)
Figure pct00007
(Equation 4.3)

시간 Tbg는 특정 진폭 레벨(AMPLVLi)에 대응하는 한 쌍의 시간(t1i, t2i)의 선택에 의해 또는 대안적으로 여러 진폭 레벨(AMPLVLi)에 속하는 여러 시간 이벤트(t1i, t2i)의 사용에 의해 여러 Tbg 시간 값을 평균화함으로써 계산될 수 있다.The time Tbg can be determined by selecting a pair of times (t1i, t2i) corresponding to a certain amplitude level (AMPLVLi) or alternatively by using several time events (t1i, t2i) belonging to different amplitude levels (AMPLVLi). It can be calculated by averaging the Tbg time values.

이제, 타겟(TRGT)까지의 거리(R)는 수학식 2 및 수학식 5의 사용에 의해 계산될 수 있다:Now, the distance R to the target TRGT can be calculated by using Equation 2 and Equation 5:

R = c*Tbg/2 (수학식 5)R = c*Tbg/2 (Equation 5)

거리(R)의 계산에서의 유일한 변형은 일련의 시간 이벤트(t1i, t2i)이라는 것이 주목된다.It is noted that the only variation in the calculation of distance R is a series of time events (t1i, t2i).

따라서, 저속 응답 검출기(THRDTC), 즉 상대적으로 느린 시간 응답을 갖는 냉각식 또는 비냉각식 열 검출기가 거리(R) 측정에 사용될 수 있다고 결론지을 수 있다. 거리 측정값(R)의 정확도는 시간 이벤트 시리즈(t1i, t2i)의 시간 측정 정확도에만 의존한다.Thus, it can be concluded that a slow response detector (THRDTC), i.e. a cooled or uncooled thermal detector with a relatively slow time response, can be used to measure the distance R. The accuracy of the distance measurement R depends only on the accuracy of the time measurement of the time event series t1i and t2i.

본 명세서에 설명된 장치(APP)는 거리 측정과 2D 열화상을 조합한 3D 열 화상화를 도출하기 위한 저속 응답 검출기의 사용이라는 기술적 이점을 가진다. 그 설명은 많은 사용 분야에서 많은 실질적인 이점을 개시하거나 암시하기에는 부족하다.The apparatus (APP) described herein has the technical advantage of using a slow response detector to derive a 3D thermal imaging that combines a distance measurement with a 2D thermal image. The description is insufficient to disclose or suggest many practical advantages in many fields of use.

실제로, 장치(APP)의 이점은 거리 측정 및 풍경의 선택된 2D 열화상과 조합한 3D로의 풍경의 표현을 포함한다.Indeed, the advantages of the device APP include distance measurement and representation of the scenery in 3D in combination with selected 2D thermal images of the scenery.

장치(APP)의 성능은 거리 및 기하학적 치수 측정의 캘리브레이션과, 상대 또는 절대 온도 측정에 대한 캘리브레이션에 의해 특정 사용을 위해 향상될 수 있다.The performance of the device APP may be enhanced for a particular use by calibration of distance and geometric dimension measurements, and by calibration for relative or absolute temperature measurements.

공중 보건 목적을 위해, 장치(APP)는 개인이 개인적으로 타겟화되고, 거리에 의해 위치가 찾아지고, 생체 인식 특징의 측정에 의해 식별되는 선험적으로 선택된 레벨 이상의 체온을 갖는 제1 그룹의 사람들 중에서 해당 개인을 집합적으로 인식한다. 또한, 장치(APP)는 상호 분리 거리 중 구체적으로 선택된 범위 미만으로 제1의 인식된 그룹 중의 개인과 더 가까운 개인을 인식하고, 제2 그룹의 개인을 제1의 식별된 그룹에 의해 감염될 위험이 있는 것으로 식별한다. 이에 의해, 장치(APP)는 아프거나 오염된 사람의 순차적 테스트 및 식별을 대체한다. 예를 들어, 전염병의 경우, 장치(APP)는 군중에서 최소한의 상호 분리 거리를 무시하는 것으로 인해 전염병에 감염될 위험이 있는 특정 개인을 자동으로 지정하고 식별할 수 있도록 한다. 이에 의해, 위험에 처한 개인의 격리는 전염병이 사람들로 확산되는 것을 방지할 수 있다.For public health purposes, the device (APP) is selected from among a first group of people whose body temperature is above an a priori selected level where the individual is individually targeted, located by distance, and identified by measurement of a biometric characteristic. Recognize the individual collectively. Further, the device APP recognizes an individual closer to an individual in the first recognized group by less than a specifically selected range of mutual separation distances, and puts the individual in the second group at risk of being infected by the first identified group. identify as having Thereby, the device APP replaces sequential testing and identification of sick or contaminated persons. For instance, in the case of an epidemic, the device (APP) enables the automatic designation and identification of specific individuals at risk of contracting an epidemic due to ignoring the minimum mutual separation distance in a crowd. Thereby, the isolation of at-risk individuals can prevent the spread of infectious diseases to people.

인명 구조는 본 명세서에서 설명된 3가지 기술 성취와 설계의 단순성 및 저비용 생산이라는 경제적 이점의 조합으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 가시성이 좋지 않은 상황에서 사람과 동물을 감지 및 회피하고 사고 예방을 위해 복잡한 상황 위험을 처리할 때와 같이 첨단 운전자 지원 시스템(advanced driver assistance system(ADAS))에 이러한 기술 기능 조합을 적용하는 것은 기존 시스템에 비하여 상대적으로 이용 가능하고 비용 효율적이다.Lifesaving can be realized with a combination of the three technological achievements described herein and the economic advantages of simplicity of design and low-cost production. Combinations of these technological functions can be used in advanced driver assistance systems (ADAS), for example, when detecting and avoiding people and animals in poor visibility situations and when handling complex situational hazards to prevent accidents. The application is relatively available and cost effective compared to existing systems.

또한, 운전자의 생체 정보를 감지하고 주차된 차량에서 유아를 잊어버리지 않도록 경고를 제공하기 위한 장치(APP)를 차량 실내에 설치함으로써 인명 구조가 실현될 수 있다.In addition, life saving can be realized by installing a device (APP) for detecting the driver's biometric information and providing a warning not to forget the infant in the parked vehicle inside the vehicle.

화재의 경우, 장치(APP)는 화염의 벽 너머 시야에 숨겨져 있어도 사람을 검출하고 그들의 수와 거리를 인식할 수 있다.In case of a fire, the device (APP) can detect people and recognize their number and distance, even if they are hidden from view beyond walls of flame.

예를 들어 제조업에서, 장치(APP)의 시야 내에 배치된 제품 그룹의 경우, 미리 결정된 임계 치수 허용 오차 및/또는 온도 범위를 초과하는 제품이 별도의 개별 검사 절차 대신에 동시에 검출 및 식별된다.In manufacturing, for example, for a group of products placed within the field of view of the device APP, products that exceed predetermined critical dimensional tolerances and/or temperature ranges are detected and identified simultaneously instead of separate and separate inspection procedures.

예를 들어 로봇 공학에서, 장치(APP)는 개선된 인공 눈으로 사용될 수 있어, 이에 의해 열 매핑(thermal mapping)을 포함하는 정확한 3D 화상이 로봇에 추가 데이터를 제공하여 이에 따라 주변 영역의 화상의 정확도를 높일 수 있다.In robotics for example, the device APP can be used as an improved artificial eye, whereby an accurate 3D image, including thermal mapping, provides additional data to the robot, thus providing an image of the surrounding area. accuracy can be increased.

또한, 장치(APP)는 제어 센터의 상황 인식을 개선하고, 비용 효율적인 방식으로 증가된 공중 안전을 위한 기존의 광학 카메라가 3D 열 및 라이다(Lidar) 화상화를 추가하기 위하여, "스마트 시트(smart city)"로도 알려진 거주민의 경험 및 웰빙을 개선하기 위한 진보된 기술을 통합한 도시에서 사용될 수 있다.In addition, the device (APP) is designed to improve the situational awareness of the control center and to add 3D thermal and Lidar imaging to existing optical cameras for increased public safety in a cost-effective manner, "Smart Seat ( Also known as “smart city”, it can be used in cities that incorporate advanced technologies to improve the experience and well-being of their residents.

도면에서, 유사한 참조 문자는 일반적으로 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지칭한다. 또한, 도면은 개략적이고 배율에 맞지 않으며, 대신 일반적으로 본 발명의 원리를 설명하는 데 중점을 둔다. 본 발명의 다양한 비제한적인 실시예는 다음과 같은 도면과 함께 예시적인 실시예에 대한 이어지는 설명을 참조하여 설명된다:
도 1a는 일반적으로 사용되는 거리 측정 방법의 작동 원리를 도시하고,
도 1b는 종래 기술에 따른 거리 측정 방법과 함께 사용되는, 타겟으로 방출되고 타겟으로부터 복귀된 짧은 레이저 펄스의 시간 시퀀스와 고속 응답 광 검출기에 의해 그로부터 검출된 아날로그 신호를 도시하고,
도 1은 레이저 펄스(LP) 및 저속 응답 열 검출기(THRDTC)에 의해 캡처된 그로부터 도출된 신호(DS)의 그래프를 도시하고,
도 2는 수신된 긴 레이저 펄스에 응답하여 저속 응답 검출기에 의해 생성된 아날로그 신호의 일정한 진폭 간격(INTVL)으로 진행되는 비동기 샘플링을 도시하고,
도 3은 3개의 진폭 레벨(AMPLVLi)을 갖는 신호(SIGSMP)의 예시적인 구조를 도시하고,
도 4는 저속 응답 열 검출기(THRDTC)의 사용 및 비동기 샘플링에 의해 거리를 측정하는 장치(APP)의 전기 요소를 나타내는 주요 전기 회로(MNCRCT)의 블록도이고,
도 5는 비동기식 샘플링 프로세스와 함께 사용하기 위한 전이점(TRPNT)에 대해 대칭인 데이터 저장 패턴을 도시하고,
도 6은 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)를 도시하고,
도 7은 포토 어레이(PHTARR)로 지칭되는 표준 설계의 열 화상화 검출기 어레이를 도시하고,
도 8은 선택된 라인 i를 강조하는 열 화상화 및 거리 측정을 위한 바이모달 어레이(BMDARR)를 도시하고,
도 9는 장치(APP)의 예시적인 실시예의 블록도를 도시하고,
도 10은 바이모달 어레이(BMDARR)에 의해 생성된 2D 화상의 일부와 이에 투영된 레이저 빔(LSRBM)의 스캐닝 패턴을 도시하고,
도 11은 3D 화상과 인터레이싱된 2D 열화상의 생성을 위한 장치(APP)의 컨트롤러(CNTRL)의 연속적인 동작 스테이지를 도시한다.
In the drawings, like reference characters generally refer to the same parts throughout the different views. In addition, the drawings are schematic and not to scale, and focus instead on explaining the principles of the present invention generally. Various non-limiting embodiments of the present invention are described with reference to the following description of exemplary embodiments in conjunction with the following figures:
1A shows the principle of operation of a commonly used distance measurement method;
1b shows the time sequence of short laser pulses emitted to and returned from the target and analog signals detected therefrom by a fast-response photodetector, used with a distance measurement method according to the prior art;
1 shows a graph of a laser pulse (LP) and a signal (DS) derived therefrom captured by a slow response thermal detector (THRDTC);
Figure 2 shows an asynchronous sampling proceeding at constant amplitude intervals (INTVL) of an analog signal generated by a slow response detector in response to a received long laser pulse;
3 shows an exemplary structure of a signal SIGSMP with three amplitude levels AMPLVLi;
Fig. 4 is a block diagram of the main electrical circuit (MNCRCT) showing the electrical components of a distance measuring device (APP) by use of a slow response thermal detector (THRDTC) and asynchronous sampling;
5 shows a data storage pattern symmetric about the transition point (TRPNT) for use with an asynchronous sampling process;
6 shows a pixel sampling circuit PXSMP;
7 shows a thermal imaging detector array of standard design, referred to as a photoarray (PHTARR);
8 shows a bimodal array for thermal imaging and distance measurement (BMDARR) highlighting a selected line i;
9 shows a block diagram of an exemplary embodiment of an apparatus APP;
10 shows a part of a 2D image generated by a bimodal array (BMDARR) and a scanning pattern of a laser beam (LSRBM) projected thereon;
Figure 11 shows the successive stages of operation of the controller CNTRL of the apparatus APP for the generation of a 2D thermal image interlaced with a 3D image.

저속 응답 열 검출기(THRDTC)를 사용하는 위에서 설명된 거리 측정 방법은 장치(APP)에서 구현될 수 있다.The distance measurement method described above using a slow response thermal detector (THRDTC) may be implemented in the device APP.

도 4는 저비용 검출기 및 비동기 샘플링의 사용에 의한 거리(R) 측정을 위한 장치(APP)의 전기 요소를 도시하는 주요 전기 회로(MNCRCT)의 개략적인 블록도이며, 이의 동작을 도시한다. 저비용 검출기는 상업적으로 이용 가능한 고품질 및 고속 검출기의 비용보다 적어도 한 차수 또는 심지어 두 차수 적은 비용이 들 수 있다.Figure 4 is a schematic block diagram of the main electrical circuit MNCRCT showing the electrical components of the Apparatus APP for distance R measurement by use of a low-cost detector and asynchronous sampling, and shows its operation. Low-cost detectors can cost at least one or even two orders of magnitude less than the cost of commercially available high-quality and high-speed detectors.

시간 t = 0에서, 장치(APP)의 2개의 요소, 즉 레이저 드라이버(LSRDR) 및 클록(CLK)(또는 시간을 카운트하기 시작하는 시간 카운터(CLK))를 동시에 초기화하는 시작 신호(STRT)가 제공된다. 또한, 시작 신호(STRT)는 그에 결합된 중간 메모리(INTMM)를 리셋한다. 시작 신호(STRT)에 의해 초기화되면, 레이저 드라이버(LSRDR)는 그에 결합된 레이저 생성 디바이스(LSR)(또는 레이저(LSR))에 제1 레이저 펄스(LP)를 방출하도록 명령한다. 그 뒤에 이 제1 레이저 펄스(LP)는 타겟(TRGT)으로 전송되고, 그로부터 장치(APP)로 복귀된다. 타겟(TRGT)으로부터의 복귀 시, 레이저 펄스(LP)는 저속 응답 열 검출기(THRDTC)일 수 있는 검출기(THRDTC)에 의해 수신된다.At time t = 0, a start signal (STRT) simultaneously initializes two elements of the device (APP): laser driver (LSRDR) and clock (CLK) (or time counter (CLK) which starts counting time). Provided. Also, the start signal STRT resets the intermediate memory INTMM coupled thereto. When initiated by the start signal STRT, the laser driver LSRDR commands the laser generating device LSR (or laser LSR) coupled thereto to emit a first laser pulse LP. This first laser pulse LP is then sent to the target TRGT and from there returns to the device APP. Upon return from the target TRGT, the laser pulse LP is received by a detector THRDTC, which may be a slow response thermal detector THRDTC.

다음으로, 열 검출기(THRDTC)는 레이저 펄스(LP)로부터 수집된 광을 검출 신호(DS)로 지칭되는 전기 신호로 변환한다. 열 검출기(THRDTC)는, 도 1b와 관련하여 위에서 도시된 바와 같이, 시간 t = Tbg에서 시작하는 레이저 펄스(LP)의 방출 시간으로부터 시간 t = TOF + PW에서의 제1 레이저 펄스(LP)의 마지막의 복귀 시까지, 제1 레이저 펄스(LP)를 수신한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, TOF는 비행 시간(time of flight)이고, PW는 펄스 폭(pulse width)이고, tr은 상승 시간이고, tf는 레이저 펄스(LP)의 하강 시간이다. 저속 응답 열 검출기(THRDTC)는 단일 검출기(THRDTC)이거나, 아래에서 설명되는 저속 바이모달 어레이(BMDARR)의 하나의 픽셀(PXL)일 수 있다. 제1 레이저 펄스(LP)에 응답하여, 저속 응답 열 검출기(THRDTC)는 검출 신호(DS)를 전치 증폭기(PA)로 출력한다. 전치 증폭기(PA)는 종래 기술에 따른 전치 증폭기 회로이다.Next, the thermal detector (THRDTC) converts the collected light from the laser pulse (LP) into an electrical signal referred to as a detection signal (DS). The thermal detector THRDTC, as shown above with respect to FIG. 1 b , measures from the emission time of the laser pulse LP starting at time t = Tbg to the time of the first laser pulse LP at time t = TOF + PW. Until the last return, the first laser pulse LP is received. As shown in FIG. 1B , TOF is the time of flight, PW is the pulse width, tr is the rise time, and tf is the fall time of the laser pulse LP. The slow response thermal detector (THRDTC) may be a single detector (THRDTC) or may be one pixel (PXL) of a slow bimodal array (BMDARR) described below. In response to the first laser pulse LP, the slow response thermal detector TRDTC outputs the detection signal DS to the preamplifier PA. A preamplifier (PA) is a preamplifier circuit according to the prior art.

전치 증폭기(PA)는 검출 신호(DS)를 결과적으로 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)에 대한 입력 역할을 하는 아날로그 전압 신호 Vo(t)로 증폭하는 데 사용된다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 기능은 이중적(twofold)이다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 제1 기능은 전압 신호(Vo(t))가 상승하고 있는지 또는 하강하고 있는지 여부를 결정하고 표시하는 것이다. R/F로 표시된 플래그 신호는, 전압 신호 Vo(t)가 상승하고 있으면 LOGIC1로 설정되고, 전압 신호 Vo(t)가 하강하고 있으면 LOGIC0로 설정된다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 제2 기능은 신호 Vo(t)가 다음 진폭 레벨(AMPLVLi)에 도달했는지 여부를 결정하는 것이다. 도달했다면, 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 클록 샘플링 신호(CLKSMP)를 중간 메모리(INTMM)로 전송하고, 이는 중간 메모리(INTMM)가 플래그 신호(R/F) 및 클록(CLK)의 현재 판독값을 저장하게 한다. 클록(CLK)은 필요한 거리 측정 해상도로부터 도출된 해상도를 갖는 표준 시간 계수 컴포넌트이다.A preamplifier PA is used to amplify the detection signal DS into an analog voltage signal Vo(t) which in turn serves as an input to the pixel sampling circuit PXSMP. The function of the pixel sampling circuit PXSMP is twofold. The first function of the pixel sampling circuit PXSMP is to determine and indicate whether the voltage signal Vo(t) is rising or falling. The flag signal indicated by R/F is set to LOGIC1 when the voltage signal Vo(t) is rising, and is set to LOGIC0 when the voltage signal Vo(t) is falling. A second function of the pixel sampling circuit PXSMP is to determine whether the signal Vo(t) has reached the next amplitude level AMPLVLi. If so, the pixel sampling circuit (PXSMP) sends the clock sampling signal (CLKSMP) to the intermediate memory (INTMM), which transmits the flag signal (R/F) and the current reading of the clock (CLK). make it save Clock (CLK) is a standard time counting component with a resolution derived from the required ranging resolution.

예를 들어, 필요한 범위 해상도가 5 m인 경우, 도 1a를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 클록(CLK)의 시간 계수 해상도는 33 ns로 선택되어야 한다. 중간 메모리(INTMM)에 결합된 이 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는, 도 2 및 3과 관련하여 위에서 설명된 2개의 시간 이벤트 시리즈(t1i, t2i)를 생성하는 프로세스를 실행한다. 이 프로세스는 중간 메모리(INTMM)에서의 저장을 위해 2개의 시간 이벤트 시리즈(t1i, t2i)를 생성하고, 각각의 샘플링된 클록 시간(CLK)에 대해 플래그 신호(R/F)는 시간 이벤트가 샘플링된 신호(SIGSMP)의 상승 부분에 대한 시리즈 t1i에 속하는지 이의 하강 부분에 대한 시리즈 t2i에 속하는지 여부를 나타낸다. 중간 메모리(INTMM)는 표준 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(또는 짧게는 게이트 컴포넌트(FPGA))에 추가로 결합되는 게이트(G1)에 결합된다.For example, if the required range resolution is 5 m, the time coefficient resolution of the clock CLK should be chosen to be 33 ns, as described above with reference to FIG. 1A. This pixel sampling circuit PXSMP, coupled to the intermediate memory INTMM, executes the process of generating the two time event series t1i and t2i described above with respect to FIGS. 2 and 3 . This process generates two series of time events (t1i, t2i) for storage in intermediate memory (INTMM), and for each sampled clock time (CLK) the flag signal (R/F) is belongs to the series t1i for the rising portion of the signal SIGSMP or to the series t2i for the falling portion thereof. The intermediate memory (INTMM) is coupled to a gate G1 which is further coupled to a standard field programmable gate array (FPGA) (or gate component (FPGA) for short).

도 8에 도시된 신호 프로세서(SGNPRC)에 의해 전송된 신호는 게이트(G1)를 개방시키고, 이에 의해 2개의 시간 이벤트 시리즈(t1i, t2i)가 데이터 파일(TMFL)로서 게이트 컴포넌트(FPGA)에 전달된다. 게이트 컴포넌트(FPGA)는 먼저 플래그 신호(R/F)가 LOGIC1로부터 LOGICO로 변경되는 파일 내의 위치를 찾는 것으로 데이터 파일(TMFL)에서 전이점(TRPNT)의 위치를 찾는다.The signal transmitted by the signal processor SGNPRC shown in Fig. 8 opens the gate G1, whereby the two time event series t1i and t2i are delivered as data files TMFL to the gate component FPGA. do. The gate component FPGA first finds the position of the transition point TRPNT in the data file TMFL by finding the position in the file where the flag signal R/F changes from LOGIC1 to LOGICO.

따라서, 도 5는 LOGIC1이 LOGICO로 전환되는 위치 또는 LOGICO가 LOGIC1로 변경되는 위치에 대해 데이터 파일(TMFL)을 검색함으로써 전이점(TRPNT)이 발견되는 것을 도시한다.Accordingly, FIG. 5 shows that the transition point TRPNT is found by searching the data file TMFL for the location where LOGIC1 switches to LOGICO or the location where LOGICO changes to LOGIC1.

도 5에 도시된 바와 같이, 데이터 파일(TMFL)은 시간 이벤트 시리즈(t1i, t2i)의 전이점(TRPNT)에 대해 대칭인 저장 패턴을 갖는다. 따라서, 그 양측에서 전이점(TRPNT)에 가장 가까운 2개의 시간 이벤트(t1i, t2i)는 최대 진폭 레벨(AMPLVL1)에 속한다. 전이점(TRPNT)에 대해 대칭으로 배치된 다음의 2개의 제2 시간 이벤트는 다음 진폭 레벨(AMPLVL2)에 속하고, 기타 등등이다. 그 다음, 이러한 시간 이벤트 쌍(t1i, t2i)은 도 1 및 3에 관하여 위에서 설명된 바와 같이, 검출 신호(DS)의 시간 Tbg 및 타겟(TRGT)까지의 거리를 계산하기 위하여, 수학식 3, 수학식 4.1 내지 4.3 및 수학식 5와 함께 게이트 컴포넌트(FPGA)에 의해 사용된다. 게이트 컴포넌트(FPGA)에서의 이러한 수학식, 즉 수학식 3, 4.1 내지 4.3 및 5의 구현은 일반적인 엔지니어링 관례이다. 레이저 펄스(LP)의 폭(PW), 상승 시간(tr)과 하강 시간(tf), 검출기의 시정수(τ) 및 광속(c)을 포함하는 거리(R)의 계산에 필요한 다른 파라미터는 공장에서의 조립 동안 게이트 컴포넌트의 메모리에 사전에 저장될 수 있는 시스템 상수 또는 물리적 상수이다.As shown in Fig. 5, the data file TMFL has a storage pattern symmetric with respect to the transition points TRPNT of the time event series t1i and t2i. Accordingly, the two time events t1i and t2i closest to the transition point TRPNT on both sides belong to the maximum amplitude level AMPLVL1. The next two second time events arranged symmetrically with respect to the transition point TRPNT belong to the next amplitude level AMPLVL2, and so on. Then, this pair of time events t1i, t2i, as described above with respect to FIGS. 1 and 3, to calculate the time Tbg of the detection signal DS and the distance to the target TRGT, Equation 3, Used by the gate component (FPGA) with Equations 4.1 to 4.3 and Equation 5. The implementation of these equations, Equations 3, 4.1 to 4.3 and 5, in gate components (FPGAs) is a common engineering practice. Other parameters required for the calculation of the distance (R) including the width (PW) of the laser pulse (LP), the rise time (tr) and fall time (tf), the time constant of the detector (τ) and the speed of light (c) are the factory System constants or physical constants that may be pre-stored in the memory of the gate component during assembly in .

픽셀 샘플링 회로 구현Implementing a pixel sampling circuit

픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 예시적이고 개략적인 실시예가 도 6에 도시된다.An exemplary and schematic embodiment of a pixel sampling circuit PXSMP is shown in FIG. 6 .

도 6의 제1 스테이지에서, 제1 비교기(COMP1)는 도 4에 도시된 바와 같은 전치 증폭기(PA)로부터 수신된 아날로그 증폭 전압 신호(Vo(t))와 직전 진폭 레벨(AMPLVLi) 사이의 순시 차이를 계산한다. 샘플링 프로세스의 제1 샘플에 대해, 제1 샘플링 진폭(AMPLVLi)은 0으로 설정된다.In the first stage of FIG. 6 , the first comparator COMP1 transmits the instantaneous time between the analog amplified voltage signal Vo(t) received from the preamplifier PA as shown in FIG. 4 and the previous amplitude level AMPLVLi. Calculate the difference. For the first sample of the sampling process, the first sampling amplitude (AMPLVLi) is set to zero.

그 후, 제2 스테이지에서, 제1 비교기(COMP1)에 결합된 한 쌍의 비교기, 즉 제2 비교기(COMP2)와 제3 비교기(COMP3)는 제1 비교기(COMP1)의 출력을 수신하고, 제1 비교기(COMP1)의 출력의 순시 차이를 각각 +INTVL 및 -INTVL인 양의 정전압 및 음의 정전압과 비교한다. 신호 Vo(t)와 진폭 레벨(AMPLVLi) 사이의의 순시 차이가 +INTVL과 같을 때, 비교기(COMP2)의 출력은 LOGIC1로 정의된 전압 레벨까지 상승하고, 따라서 이전 진폭 레벨(AMPLVLi)에 비교하여 진폭 레벨만큼의 전압 Vo(t)의 상승을 나타낸다. 신호 Vo(t)와 진폭 레벨(AMPLVLi) 사이의의 순시 차이가 -INTVL과 같을 때, 비교기(COMP3)의 출력은 LOGIC1로 정의된 전압 레벨까지 상승하고, 따라서 이전 진폭 레벨(AMPLVLi)에 비교하여 진폭 레벨만큼의 전압 Vo(t)의 감소를 나타낸다. 따라서, 제2 비교기(COMP2)의 출력은, 도 4를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 출력 플래그 신호(R/F) 역할을 할 수 있다.Then, in the second stage, a pair of comparators coupled to the first comparator COMP1, that is, the second comparator COMP2 and the third comparator COMP3 receive the output of the first comparator COMP1, and 1 The instantaneous difference of the output of the comparator (COMP1) is compared with the positive and negative constant voltages, which are +INTVL and -INTVL, respectively. When the instantaneous difference between the signal Vo(t) and the amplitude level (AMPLVLi) is equal to +INTVL, the output of the comparator (COMP2) rises to the voltage level defined by LOGIC1 and thus, compared to the previous amplitude level (AMPLVLi), It represents the rise of the voltage Vo(t) by the amplitude level. When the instantaneous difference between the signal Vo(t) and the amplitude level (AMPLVLi) is equal to -INTVL, the output of the comparator (COMP3) rises to the voltage level defined by LOGIC1, and thus compared to the previous amplitude level (AMPLVLi), Represents a decrease in voltage Vo(t) by an amplitude level. Accordingly, the output of the second comparator COMP2 may serve as the output flag signal R/F of the pixel sampling circuit PXSMP, as described above with reference to FIG. 4 .

다음으로, 제3 스테이지에서, 논리 XOR 게이트(LXOR)는 한 쌍의 비교기, 즉 제2 스테이지의 제2 비교기(COMP2) 및 제3 비교기(COMP3)의 출력을 수신한다. 제2 비교기(COPM2) 또는 제3 비교기(COPM3) 중 하나의 출력이 LOGIC1로 설정되지만 둘 모두의 출력이 LOGIC1로 설정되지 않는 경우, 논리 XOR 게이트(LXOR)는 논리 출력 클록 샘플링 신호(CLKSMP)를 생성할 것이다. 제2 논리 출력 클록 샘플링 신호(CLKSMP)는, 도 4를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 플래그 신호(R/F) 및 클록(CLK)의 현재 판독값을 중간 메모리(INTMM)에 저장할 것이다. 또한, 클록 샘플링 신호(CLKSMP)가 LOGIC1일 때, 논리 XOR 게이트(LXOR)의 출력에 결합된 표준 샘플 및 홀드 회로(SMPHOL)는 신호 Vo(t)의 현재 값을 샘플링할 것이다. 신호 Vo(t)의 이러한 마지막 현재 값은 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 다음 반복을 위한 기준으로서 새로운 직전 진폭 레벨(AMPLVLi)로 받아들여질 것이다. 표준 지연 라인(DL)은, 이 프로세스의 비동기 특성으로 인한 가능성 있는 내부 충돌의 발생을 피하기 위해, 이 새로운 진폭 레벨(AMPLVLi)의 입력을 제1 스테이지 비교기(COMP1)로 지연시키는 데 사용된다.Next, in the third stage, the logic XOR gate LXOR receives the output of a pair of comparators, that is, the second comparator COMP2 and the third comparator COMP3 of the second stage. When the output of either the second comparator (COPM2) or the third comparator (COPM3) is set to LOGIC1 but the outputs of both are not set to LOGIC1, the logic XOR gate (LXOR) outputs the logic output clock sampling signal (CLKSMP). will create As described above with reference to FIG. 4 , the second logic output clock sampling signal CLKSMP will store the current reading values of the flag signal R/F and the clock CLK in the intermediate memory INTMM. Also, when clock sampling signal CLKSMP is LOGIC1, standard sample and hold circuit SMPHOL coupled to the output of logic XOR gate LXOR will sample the present value of signal Vo(t). This last current value of the signal Vo(t) will be taken as the new previous amplitude level AMPLVLi as a reference for the next iteration of the pixel sampling circuit PXSMP. A standard delay line (DL) is used to delay the input of this new amplitude level (AMPLVLi) to the first stage comparator (COMP1) to avoid the occurrence of possible internal conflicts due to the asynchronous nature of this process.

화상화 검출기 구현Imaging detector implementation

도 7은 저속 응답 열 화상화 광 검출기 어레이(PHTARR)(또는 짧게는 광 어레이(PHTARR))의 표준 설계의 예시적이고 개략적인 실시예를 도시한다. 도 7은 열화상화 광 어레이(PHTARR)의 2개의 임의의 픽셀 라인(PXLij)의 일부, 즉 라인 LNOAi 및 LNOAi+1를 도시한다. 이 두 라인에서의 각각의 픽셀(PXLij)은 광 스펙트럼의 열 파장에서의 입사광에 민감한 물질로 구성된 광 검출기를 포함한다. 광 어레이(PHTARR)의 기판에 구현된 판독 전자 회로(ROIC)는, 각각의 라인에 대해 개별적으로 그리고 전체 광 어레이(PHTARR)에 대해 개별적으로, 픽셀(PXL)을 라인으로 그리고 라인을 프레임으로 연결하는 게이트를 포함한다. 전자 장치 전체는 줄여서 집적 회로(ROIC)라고 한다. 이 집적 회로(ROIC)의 주요 목적은 열 광 어레이(PHTARR)의 신호를 증폭된 전압 신호로 변환하고, 이러한 증폭된 전압 신호를 표준 국제 비디오 포맷으로 동기식으로 전송하는 것이다.7 shows an exemplary schematic embodiment of a standard design of a slow response thermal imaging photodetector array (PHTARR) (or photoarray (PHTARR) for short). Figure 7 shows part of two arbitrary pixel lines PXLij of the thermal imaging light array PHTARR, namely lines LNOAi and LNOAi+1. Each pixel PXLij in these two lines contains a photodetector composed of a material sensitive to incident light at thermal wavelengths of the light spectrum. Readout electronics ROIC implemented on the substrate of the photoarray PHTARR connects the pixels PXL to lines and lines to frames, individually for each line and individually for the entire photoarray PHTARR. includes a gate that The entire electronic device is referred to as an integrated circuit (ROIC) for short. The main purpose of this integrated circuit (ROIC) is to convert the signal of the column optical array (PHTARR) into an amplified voltage signal and to synchronously transmit this amplified voltage signal in a standard international video format.

열 광 어레이(PHTARR)는 열 파장에 민감한 재료로 구성된다. 느리게 반응하고 비냉각식 화상화에도 적합한 이러한 재료의 몇 가지 예는 PbSe, VOx 및 비정질 실리콘을 포함한다.Thermal light arrays (PHTARR) are constructed of materials that are sensitive to thermal wavelengths. Some examples of these materials that react slowly and are also suitable for uncooled imaging include PbSe, VOx and amorphous silicon.

도 8은 도 6과 관련하여 위에서 설명된 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)가 표준 저속 응답 바이모달 어레이(BMDARR)에 어떻게 통합될 수 있는지를 보여주는 예시적이고 개략적인 실시예를 도시한다. 이 바이모달 어레이(BMDARR)는 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이 거리 측정 목적을 위해 표준 열 화상화 또는 비동기식 픽셀 샘플링을 수행할 수 있다.FIG. 8 shows an exemplary schematic embodiment showing how the pixel sampling circuit (PXSMP) described above with respect to FIG. 6 may be incorporated into a standard slow response bimodal array (BMDARR). This bimodal array (BMDARR) can perform standard thermal imaging or asynchronous pixel sampling for distance measurement purposes as described with respect to FIG. 4 .

도 8에서, 라인(LNOAi)은 바이모달 어레이(BMDARR)의 하나의 임의로 선택된 라인 i, 따라서 바이모달 어레이(BMDARR)의 복수의 라인 LNOA 중 하나의 라인 LNOAi의 예시적인 실시예를 도시한다.In FIG. 8 , line LNOAi shows an exemplary embodiment of one randomly selected line i of bimodal array BMDARR, and thus one line LNOAi of a plurality of lines LNOA of bimodal array BMDARR.

도 8에서, 바이모달 어레이(BMDARR)의 각각의 픽셀(PXLij)은 표준 화상화 목적을 위해 또는 거리 측정을 위해 사용될 수 있는 열 검출기(THRDTC) 및 전치 증폭기(PA)를 포함한다. 바이모달 어레이(BMDARR)의 픽셀(PXLij)이 설정되는 선택된 동작인 화상화 또는 거리 측정 중 하나인 선택된 모드는 모드 스위치(PXMOD)에 의해 명령되고, 도 9 및 11과 관련하여 아래에서 설명되는 바와 같이 외부 소스로부터 수신된다. 모드 스위치(PXMOD)의 동적 모드가 LOGICO로서 선택될 때, 전치 증폭기(PA)의 출력 신호는 표준 화상화를 위해 바이모달 어레이(BMDARR)의 출력에 직접 연결될 것이다. 그러나, 모드 스위치(PXMOD)의 선택된 동작 모드가 LOGIC1로서 선택될 때, 전치 증폭기(PA)의 출력 신호는 도 6과 관련하여 설명된 거리 측정을 위해 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)에 연결될 것이다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 단순성은 이의 구현이 각각의 픽셀(PXLij)에 포함될 수 있게 한다.In Fig. 8, each pixel PXLij of the bimodal array BMDARR includes a thermal detector THRDTC and a preamplifier PA, which can be used for standard imaging purposes or for distance measurement. The selected mode, either imaging or ranging, which is the selected operation in which the pixels PXLij of the bimodal array BMDARR are set, is commanded by the mode switch PXMOD, as described below with respect to FIGS. 9 and 11 . received from an external source. When the dynamic mode of the mode switch PXMOD is selected as LOGICO, the output signal of the preamplifier PA will be directly connected to the output of the bimodal array BMDARR for standard imaging. However, when the selected operating mode of the mode switch PXMOD is selected as LOGIC1, the output signal of the preamplifier PA will be coupled to the pixel sampling circuit PXSMP for the distance measurement described in connection with FIG. The simplicity of the pixel sampling circuit PXSMP allows its implementation to be included in each pixel PXLij.

다음으로, 라인 LNOAi의 픽셀(PXL)은 표준적으로 사용되는 화상화 모드에서와 동일한 방식으로, 게이트를 통해, 집적 회로(ROIC)의 출력에 연결된다. 중간 메모리(INTMM), 클록(CLK) 및 게이트 컴포넌트(FPGA)를 포함하는 도 4에 표시된 다른 컴포넌트는 바이모달 어레이(BMDARR)와 다르고 그로부터 분리된 신호 프로세서(SGNPRC)에 조립된다.Next, the pixel PXL of line LNOAi is connected to the output of the integrated circuit ROIC, via a gate, in the same way as in the standardly used imaging mode. The other components shown in Fig. 4, including the intermediate memory (INTMM), clock (CLK) and gate component (FPGA), are different from the bimodal array (BMDARR) and are assembled in a signal processor (SGNPRC) separate from it.

대안적으로, 이 컴포넌트들 중 일부는 바이모달 어레이(BMDARR)의 일부로서 구현될 수 있다.Alternatively, some of these components may be implemented as part of a bimodal array (BMDARR).

3D 열 화상화 구현Implementation of 3D thermal imaging

도 9에 도시된 바와 같이, 장치(APP)는 바이모달 어레이(BMDARR) 및 신호 프로세서(SGNPRC)를 활용하는 열 화상기(C1)(또는 카메라(C1))를 포함한다. 신호 프로세서(SGNPRC)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 클록(CLK), 중간 메모리(INTMM) 및 필드 프로그래머블 게이트 컴포넌트(FPGA)를 포함한다. 장치(APP)는 레이저 드라이버(LSRDR)에 의해 제어되는 레이저(LSR)를 더 포함한다. 레이저(LSR)는 바이모달 어레이(BMDARR)가 민감한 파장의 레이저 빔(LSRBM)을 방출하며, 카메라(C1)의 시야(FOV)보다 훨씬 좁은 빔 발산을 갖는다.As shown in Fig. 9, the device APP includes a thermal imager C1 (or camera C1) utilizing a bimodal array BMDARR and a signal processor SGNPRC. The signal processor SGNPRC, as shown in FIG. 8 , includes a clock CLK, an intermediate memory INTMM and a field programmable gate component FPGA. Apparatus APP further comprises a laser LSR controlled by a laser driver LSRDR. The laser LSR emits a laser beam LSRBM of a wavelength to which the bimodal array BMDARR is sensitive, and has a much narrower beam divergence than the field of view FOV of the camera C1.

장치(APP)의 추가 컴포넌트는 광학 스캐너(OPTSCN)와, 장치(APP) 및 이의 다른 컴포넌트를 작동시키는 컨트롤러(CNTRL)를 포함한다.Further components of the device APP include an optical scanner OPTSCN and a controller CNTRL for operating the device APP and other components thereof.

광학 스캐너(OPTSCN)는 레이저 빔(LSRBM)을 카메라(C1)가 보는 풍경의 선택된 영역으로 지향시킨다. 일반적인 엔지니어링 관례에 따라 광학 스캐너(OPTSCN)가 카메라(C1)와 정렬된다고 가정한다. 카메라(C1) 및 광학 스캐너(OPTSCN)에 결합된 컨트롤러(CNTRL)는 카메라(C1)가 보는 풍경의 특정하게 선택된 영역으로 레이저 빔(LSRBM)을 지향시킬 수 있다고 더 가정한다. 이것은 사전 정의된 특정 스캔 각도로 이동하도록 광학 스캐너(OPTSCN)에 명령함으로써 성취될 수 있다. 즉, 카메라(C1)의 시야(FOV) 내에서 선택된 영역은 광학 스캐너(OPTSCN)의 특정 스캔 각도에 의해 고유하게 매핑될 수 있다.Optical scanner OPTSCN directs laser beam LSRBM to a selected area of the landscape viewed by camera C1. Assume that the optical scanner (OPTSCN) is aligned with the camera (C1) according to common engineering practice. It is further assumed that controller CNTRL coupled to camera C1 and optical scanner OPTSCN can direct laser beam LSRBM to a specific selected area of the landscape viewed by camera C1. This can be achieved by commanding the optical scanner (OPTSCN) to move at a specific predefined scan angle. That is, an area selected within the field of view (FOV) of the camera C1 may be uniquely mapped by a specific scan angle of the optical scanner OPTSCN.

도 10은 2D 화상과 인터레이싱된 3D 화상화를 생성하도록 구현될 수 있는 장치(APP)의 컨트롤러(CNTRL)의 예시적인 동작 시퀀스를 도시한다. 설명의 명료함을 위해, 바이모달 어레이(BMDARR)는 100 x 100 픽셀(PXLij), 즉 각각 100 픽셀(PXL)의 100 라인(LNOA)을 갖는 것이 인정된다. 또한, 장치(APP)가 10초의 시간 시퀀스와 동일한 0.1 HZ의 속도로 화상을 생성한다는 것도 인정된다.Fig. 10 shows an exemplary sequence of operations of the controller CNTRL of the apparatus APP, which may be implemented to generate 3D imaging interlaced with 2D images. For clarity of explanation, it is accepted that the bimodal array (BMDARR) has 100 x 100 pixels (PXLij), ie 100 lines (LNOA) of 100 pixels (PXL) each. It is also acknowledged that the device APP produces images at a rate of 0.1 HZ, which is equal to a time sequence of 10 seconds.

동작의 제1 스테이지(STG1)에서, 컨트롤러(CNTRL)는 풍경의 선택된 부분의 2D 열화상을 생성하기 위해 바이모달 어레이(BMDARR)를 작동시킨다. 이를 위해, 바이모달 어레이(BMDARR)는 모드 스위치(PXMOD)의 작동을 바이모달 어레이(BMDARR)의 픽셀로 전송되는 LOGICO로 명령함으로써 컨트롤러(CNTRL)에 의해 화상화 모드로 설정된다. 그 후, 2D 화상은 일반적인 표준 방법의 사용에 의해 캡처되고, 도 8에 도시된 바와 같이, 저속 응답 바이모달 어레이(BMDARR)에 의해 신호 프로세서(SGNPRC)에 포함된 게이트 컴포넌트(FPGA)로 전송된다. 도 10에서 "캡처(capture)"와 "전송(transmit)"으로 표시되는 2D 영상을 캡쳐하여 전송하는데 필요한 시간 범위는 3.4 ms이다. 이 시간 범위는 풍경에 대한 바이모달 어레이(BMDARR)의 3 ms의 노출 시간과, 이를 뒤따르는 픽셀 값의 400 ㎲의 판독 시간 및 게이트 컴포넌트(FPGA)로의 이 값들의 전송 시간에 기초한다.In a first stage of operation STG1, controller CNTRL activates bimodal array BMDARR to create a 2D thermal image of a selected part of the landscape. To this end, the bimodal array BMDARR is set to imaging mode by the controller CNTRL by commanding the operation of the mode switch PXMOD to LOGICO which is transmitted to the pixels of the bimodal array BMDARR. After that, the 2D image is captured by use of common standard methods and transmitted by slow response bimodal array (BMDARR) to gate component FPGA included in signal processor SGNPRC, as shown in FIG. . In FIG. 10, the time range required to capture and transmit the 2D image indicated by “capture” and “transmit” is 3.4 ms. This time range is based on an exposure time of 3 ms of the bimodal array (BMDARR) to the landscape, followed by a read-out time of 400 μs of the pixel values and the transfer time of these values to the gate component (FPGA).

이전의 제1 스테이지(STG1)에 이어지는 제2 동작 스테이지(STG)에서, 컨트롤러(CNTRL)는 3D 화상을 생성하기 위하여 장치(APP)의 다음과 같은 컴포넌트를 작동시킬 것이다: 바이모달 어레이(BMDARR), 레이저 드라이버(LSRDR)를 통한 레이저(LSR), 광학 스캐너(OPTSCN) 및 신호 프로세서(SGNPRC).In the second operational stage STG following the previous first stage STG1, the controller CNTRL will operate the following components of the device APP to generate the 3D image: Bimodal array BMDARR , laser (LSR) through laser driver (LSRDR), optical scanner (OPTSCN) and signal processor (SGNPRC).

여전히 제2 동작 스테이지(STG)에서, 도 11은 제1 스테이지(STG1)에서 바이모달 어레이(BMDARR)에 의해 생성된 2D 화상 중 21 x 20 픽셀의 예시적인 부분을 도시한다. 또한, 도 11에서, 바이모달 어레이(BMDARR)에 투영된 레이저 빔(LSRBM)의 스캐닝 패턴은 A로 표시된 화살표로 표시된다. 본 예에서, 레이저 빔(LSRBM)의 폭은 풍경 또는 타겟(TRGT)으로부터 카메라(C1)로 다시 반사될 때 바이모달 어레이(BMDARR)의 2개 픽셀이 각각의 순간에 조명된다고 가정된다.Still in the second stage of operation (STG), FIG. 11 shows an exemplary portion of 21 x 20 pixels of the 2D image generated by the bimodal array (BMDARR) in the first stage (STG1). 11, the scanning pattern of the laser beam LSRBM projected on the bimodal array BMDARR is indicated by an arrow marked A. In this example, the width of laser beam LSRBM is assumed to illuminate two pixels of bimodal array BMDARR at each instant when reflected back to camera C1 from landscape or target TRGT.

컨트롤러(CNTRL)는, 특정 스캐닝 패턴에 따라 광학 스캐너(OPTSCN)의 스캐닝 각도를 조정함으로써, 레이저 빔(LSRBM)이 카메라(C1)가 보는 선택된 풍경의 부분을 한 번에 2개의 픽셀(PXLij)로 스캐닝하도록 명령한다.The controller CNTRL adjusts the scanning angle of the optical scanner OPTSCN according to a specific scanning pattern, so that the laser beam LSRBM captures the selected part of the landscape viewed by the camera C1 by two pixels PXLij at a time. command to scan.

제1 단계로서, 2개의 픽셀(PXLij)의 제1 세트(SET1)를 조명하기 위하여 도 9에 도시된 컨트롤러(CNTRL)는 스캐닝 패턴 및 이에 따른 광학 스캐너(OPTSCN)의 스캔 각도를 설정함으로써 시작한다. 도 11에서, 제1 세트(SET1)는 각각 LNOA1 및 LNOA2인 제1 및 제2 열의 최상단에 있는 최상위 행에 배치된다. 그 후, 컨트롤러(CNTRL)는 모드 스위치(PXMOD)를 LOGIC"1"로 설정한다. 제2 단계에서, 컨트롤러(CNTRL)는 클록(CLK), 신호 프로세서(SGNPRC)의 중간 메모리(INTMM) 및 레이저 드라이버(LSRDR)에 시작 명령을 전송함으로써 거리 측정 프로세스를 시작한다. 그 다음에는 도 4 내지 6을 참조하여 위에서 설명된 프로세스가 뒤따른다. 본 예에서, 이 전체 프로세스의 지속 시간은 2 ms이다.As a first step, to illuminate the first set SET1 of the two pixels PXLij, the controller CNTRL shown in FIG. 9 starts by setting the scanning pattern and accordingly the scan angle of the optical scanner OPTSCN. . In Fig. 11, the first set SET1 is placed in the uppermost row at the top of the first and second columns, LNOA1 and LNOA2, respectively. After that, the controller CNTRL sets the mode switch PXMOD to LOGIC "1". In a second step, the controller CNTRL starts the distance measurement process by sending a start command to the clock CLK, the intermediate memory INTMM of the signal processor SGNPRC and the laser driver LSRDR. This is followed by the process described above with reference to FIGS. 4-6. In this example, the duration of this entire process is 2 ms.

다음으로, 제3 스테이지(STG3)에서, 처리를 위해 파일(TMFL)을 게이트 컴포넌트(FPGA)로 전달하기 위하여, 컨트롤러(CNTRL)는 도 4에 도시된 게이트(G1)를 개방하는 신호를 방출한다. 이에 응답하여, 게이트 컴포넌트(FPGA)는 도 11과 관련하여 설명된 바와 같이 제1 픽셀 세트(SET1)와 관련된 풍경의 부분까지의 거리를 계산한다. 병행하여, 컨트롤러(CNTRL)는 광학 스캐너(OPTSC)를 이동시켜 제1 세트(SET1) 바로 아래에 그에 인접한 제2 행에 배치된 2개의 픽셀(PXL)의 제2 세트(SET2)를 조명하고, 그 후 SET2의 이러한 2개의 픽셀(PXL)에 대한 거리 측정 프로세스가 반복된다. 이 거리 측정 프로세스는 레이저 빔(LSRBM)이 맨 아래 행의 처음 두 라인(각각 LNOA1 및 LNOA2)의 마지막에 도달할 때까지 반복적으로 더 반복된다.Next, in the third stage STG3, to pass the file TMFL to the gate component FPGA for processing, the controller CNTRL emits a signal to open the gate G1 shown in FIG. 4. . In response, the gate component FPGA calculates the distance to the portion of the scenery associated with the first set of pixels SET1 as described in relation to FIG. 11 . In parallel, the controller CNTRL moves the optical scanner OPTSC to illuminate a second set SET2 of two pixels PXL arranged in a second row immediately below and adjacent to the first set SET1, Then the distance measurement process for these two pixels (PXL) of SET2 is repeated. This distance measurement process is repeated further iteratively until the laser beam LSRBM reaches the end of the first two lines of the bottom row (LNOA1 and LNOA2, respectively).

그 후, 레이저 빔(LSRBM)은 컨트롤러(CNTRL)에 의해 다음 두 라인(각각 LNOA3 및 LNOA4)의 처음 2개의 픽셀로 지향될 것이다. 이러한 동일한 스캐닝 패턴은 레이저 빔(LSRBM)이 풍경의 전체 부분의 스캐닝을 완료할 때까지 반복적으로 반복되고, 이에 의해 풍경의 해당 부분의 각각의 모든 픽셀(PXLij)까지의 거리를 생성할 것이다. 본 예에서, 바이모달 어레이(BMDARR)의 전체 동작에 대해 지속 시간은 대략 10초이다. 화상 생성의 전체 지속 시간에 3.4 ms인 2D 화상 생성의 지속 시간을 더하면, 0.1 HZ의 속도에 대한 요건과 상관 관계가 있는 10초가 된다.The laser beam LSRBM will then be directed by the controller CNTRL to the first two pixels of the next two lines (LNOA3 and LNOA4 respectively). This same scanning pattern is repeated repeatedly until the laser beam LSRBM has completed scanning of the whole part of the scenery, thereby generating the distance to each and every pixel PXLij of that part of the scenery. In this example, the duration for the entire operation of the bimodal array (BMDARR) is approximately 10 seconds. Adding the duration of 2D image generation, which is 3.4 ms, to the total duration of image generation gives 10 seconds, which correlates with the requirement for a speed of 0.1 HZ.

본 명세서에 제공된 다양한 수치적 예는 설명을 위해 제공되며, 장치(APP)의 작동에 의해 성취할 수 있는 최상의 획득 가능한 성능을 나타내지 않는다는 점이 주목되어야 한다. 마지막 스테이지에서, 게이트 컴포넌트(FPGA)는, 각각의 픽셀(PXL)의 거리 데이터를 저장된 2D 열화상 데이터에 추가함으로써, 픽셀 포맷으로 이의 메모리 내에 저장된 2D 열화상을 거리 데이터와 인터레이싱한다. 이에 의해, 풍경의 3D 열 표현이 생성된다.It should be noted that the various numerical examples provided herein are provided for illustrative purposes and do not represent the best obtainable performance achievable by operation of the apparatus APP. In the last stage, the gate component FPGA interlaces the 2D thermal image stored in its memory in pixel format with the distance data by adding the distance data of each pixel PXL to the stored 2D thermal image data. This creates a 3D thermal representation of the landscape.

컨트롤러(CNTRL)의 3개의 스테이지(STG)의 결과는 시야 내에서 캡처된 풍경을 화상화하도록 3D 열화상 카메라(C1)를 작동시키고, 그 시야 내에서 선택된 대상까지의 거리를 측정하고, 거리를 2D 열화상과 조합하는 3D 열 화상화를 생성하기 위하여 2D 열화상을 거리 데이터와 인터레이싱하는 능력이다.The result of the three stages (STG) of the controller (CNTRL) is to actuate the 3D thermal imaging camera (C1) to image the captured landscape within its field of view, measure the distance to a selected object within its field of view, and determine the distance The ability to interlace 2D thermal images with distance data to create 3D thermal imaging that combines with 2D thermal images.

도면에서 그와 같이 도시되지는 않았지만, 다른 예시적인 실시예는 상이하게 동작할 수 있다는 것(설명된 스테이지의 동작 시퀀스가 상이할 수 있고, 순간적으로 조명되는 픽셀의 수 및 스캐닝 패턴이 상이할 수 있다는 것을 의미함)이 주목되어야 한다.Although not shown as such in the drawings, other exemplary embodiments may operate differently (the operation sequence of the described stage may be different, the number of pixels illuminated momentarily and the scanning pattern may be different) means there is) should be noted.

따라서, 3D 열화상 카메라(C1), 신호 프로세서(SGNPRC), 레이저(LSR), 광학 스캐너(OPTSCN) 및 컨트롤러(CNTRL)를 포함하는 화상화 장치(APP)가 설명되었다.Thus, an imaging device (APP) comprising a 3D thermal imaging camera (C1), a signal processor (SGNPRC), a laser (LSR), an optical scanner (OPTSCN) and a controller (CNTRL) has been described.

예시적인 실시예에 따른 장치의 특성은 높은 거리 해상도를 갖는 3D 화상화를 위한 저속 응답 열 검출기의 사용이다. 저속 응답 검출기는 일반적으로 사용 가능하며 유리하게 가격이 책정된다. 장치는 2D 열화상을 거리 데이터와 결합하고 그로부터 3D 열화상을 생성한다.A feature of the device according to the exemplary embodiment is the use of a slow response thermal detector for 3D imaging with high distance resolution. Slow response detectors are generally available and are advantageously priced. The device combines the 2D thermal image with the distance data and creates a 3D thermal image from it.

장치(APP)는 복수의 저속 열 검출기(THRDTC)를 작동시키는 전자 회로인 바이모달 어레이(BMDARR)를 포함한다. 사용 시 바이모달 어레이(BMDARR)는 표준 열 화상화 또는 거리 측정을 위한 비동기 픽셀 샘플링을 수행한다. 바이모달 어레이는 컨트롤러에 의해 명령되며 복수의 저속 응답 열 검출기를 포함한다. 또한, 바이모달 어레이는 저속 응답 열 검출기의 사용에 의해 2D 열화상 및 정확한 거리 데이터를 생성하도록 설계된다. 어레이 내의 각각의 저속 응답 열 검출기에 의해 수집된 2D 열화상과 거리 데이터는 모두 신호 프로세서로 전달된다.Apparatus APP includes a bimodal array BMDARR which is an electronic circuit that operates a plurality of slow thermal detectors THRDTC. When used, the bimodal array (BMDARR) performs asynchronous pixel sampling for standard thermal imaging or distance measurement. The bimodal array is commanded by a controller and includes a plurality of slow response thermal detectors. Additionally, the bimodal array is designed to generate 2D thermal images and precise distance data by use of slow response thermal detectors. Both the 2D thermal image and distance data collected by each slow-response thermal detector in the array are passed to the signal processor.

컨트롤러는 레이저, 광학 스캐너 및 열 화상기의 각각의 저속 응답 열 검출기를 작동시키도록 더 구성된다. 이에 의해, 컨트롤러는 레이저, 광학 스캐너 및 열 화상기의 열 검출기를 작동시켜 그로부터 거리 데이터를 도출할 수 있다. 그 거리 데이터는 복수의 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)을 도출하는 데 전용인 픽셀 샘플링 회로의 사용에 의해 수집된다. 이러한 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)은 신호 프로세서에 전달되는 샘플링된 검출 신호(DS)로부터 도출된다.The controller is further configured to operate each slow response thermal detector of the laser, optical scanner and thermal imager. This allows the controller to operate the laser, optical scanner and thermal detector of the thermal imager and derive distance data therefrom. The distance data is collected by use of a pixel sampling circuit dedicated to deriving a plurality of time event couples (t1i, t2i). These time event couples t1i and t2i are derived from the sampled detection signal DS which is passed to the signal processor.

마지막으로, 신호 프로세서는 어레이 내의 저속 응답 열 검출기에 대응하는 응답 시간에 비해 더 우수한 정확도로 거리를 계산하도록 구성된다. 이에 의해, 신호 프로세서는 2D 열화상을 거리 데이터와 인터레이싱하여 거리 데이터를 2D 열화상과 조합한 3D 열 화상을 생성할 수 있다.Finally, the signal processor is configured to calculate the distance with greater accuracy than the response time corresponding to the slow response thermal detectors in the array. Thereby, the signal processor may interlace the 2D thermal image with the distance data to generate a 3D thermal image by combining the distance data with the 2D thermal image.

바이모달 어레이가 복수의 저속 응답 열 검출기를 포함하고, 이러한 열 검출기 각각은 2D 열화상 및/또는 3D 열 화상화에서 하나의 픽셀을 생성한다는 것이 주목된다.It is noted that the bimodal array includes a plurality of slow response thermal detectors, each of which produces a pixel in a 2D thermal image and/or a 3D thermal image.

검출기(THRDTC) 각각은 모드 스위치(PXMOD)에 결합된다. 모드 스위치(PXMOD)는 바이모달 어레이(BMDARR)를 2가지 동작 모드, 즉 화상화 모드 중 하나인 동작 모드 및 거리 측정 모드인 제2 모드 중 하나로 설정하도록 구성된다.Each detector (THRDTC) is coupled to a mode switch (PXMOD). The mode switch PXMOD is configured to set the bimodal array BMDARR to one of two operating modes: an operating mode, one of imaging mode, and a second mode, ranging mode.

바이모달 어레이(BMDARR)는 복수의 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)를 더 포함한다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP) 각각은 검출 신호(DS)의 상승 부분(ta) 및 검출 신호(DS)의 감쇠 부분(td)을 인식하도록 구성된다.The bimodal array BMDARR further includes a plurality of pixel sampling circuits PXSMP. Each of the pixel sampling circuits PXSMP is configured to recognize the rising portion ta of the detection signal DS and the attenuating portion td of the detection signal DS.

신호 프로세서(SGNPRC)는 클록(CLK)을 더 포함하고, 클록(CLK)은 중간 메모리(INTMM)에 결합된다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 중간 메모리(INTMM)에 결합된다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 클록 샘플링 신호(CLKSMP) 및 플래그 신호(R/F)를 신호 프로세서(SGNPRC)에 전송하도록 구성된다. 이 2개의 신호에 응답하여, 신호 프로세서(SGNPRC)는 클록(CLK) 및 플래그 신호(R/F)의 현재 판독값을 저장하도록 중간 메모리(INTMM)에 명령한다.Signal processor SGNPRC further includes a clock CLK, which is coupled to intermediate memory INTMM. The pixel sampling circuit PXSMP is coupled to the intermediate memory INTMM. The pixel sampling circuit PXSMP is configured to transmit the clock sampling signal CLKSMP and the flag signal R/F to the signal processor SGNPRC. In response to these two signals, signal processor SGNPRC commands intermediate memory INTMM to store the current readings of clock (CLK) and flag signal (R/F).

픽셀 샘플링 회로(PXSMP) 각각은 중간 메모리(INTMM)에 결합되고, 적어도 두 가지 동작을 수행하도록 구성된다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 제1 동작은 2개의 시간 이벤트 시리즈, 즉 제1 시간 이벤트 시리즈(t1i) 및 제2 시간 이벤트 시리즈(t2i)를 생성하는 것이다. 시간 이벤트(t1i)는 검출 신호(DS)의 상승 부분(ta)에 속하고, 시간 이벤트(t2i)는 동일한 검출 신호(DS)의 감쇠 부분(td)에 속한다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)가 수행하는 제2 동작은 상승 부분(ta) 및 감쇠 부분(td) 중 어느 것에 각각의 시간 이벤트가 속하는지를 표시하는 것이다.Each of the pixel sampling circuits PXSMP is coupled to an intermediate memory INTMM and is configured to perform at least two operations. The first operation of the pixel sampling circuit PXSMP is to generate two time event series, a first time event series t1i and a second time event series t2i. The time event t1i belongs to the rising part ta of the detection signal DS, and the time event t2i belongs to the attenuating part td of the same detection signal DS. A second operation performed by the pixel sampling circuit PXSMP is to indicate which of the rising portion ta and the decaying portion td each time event belongs to.

중간 메모리(INTMM)는 게이트(G1)를 컴포넌트(FPGA)에 결합된다. 게이트(G1)의 개방은 그에 구성된 신호 프로세서(SGNPRC)에 의해 명령된다. 이에 의해, 중간 메모리(INTMM)에 저장된 2개의 시간 이벤트 시리즈(t1i, t2i)는 데이터 파일(TMFL)로서 컴포넌트(FPGA)에 전달될 수 있다.Intermediate memory INTMM is coupled with gate G1 to component FPGA. The opening of gate G1 is commanded by a signal processor SGNPRC configured therewith. Thereby, the two time event series (t1i, t2i) stored in the intermediate memory (INTMM) can be transferred to the component (FPGA) as a data file (TMFL).

게이트 컴포넌트(FPGA)는 데이터 파일(TMFL)에서 전이점(TRPNT)의 위치를 찾도록 구성된다. 전이점(TRPNT)은 2개의 시간 이벤트 시리즈(t1i, t2i) 사이를 분리한다. 전이점(TRPNT)을 찾기 위하여, 플래그 신호(R/F)가 LOGIC1로의 설정으로부터 LOGIC0으로의 설정으로 전환되는 위치 또는 그 반대로 플래그 신호(R/F)가 LOGIC0로의 설정으로부터 LOGIC1으로의 설정으로 전환되는 위치를 찾는 것으로 충분하다.The gate component FPGA is configured to locate the transition point TRPNT in the data file TMFL. A transition point (TRPNT) separates between the two time event series (t1i, t2i). To find the transition point (TRPNT), the position at which the flag signal (R/F) switches from setting to LOGIC1 to setting to LOGIC0 or vice versa, when the flag signal (R/F) switches from setting to LOGIC0 to setting to LOGIC1 It is enough to find a location where

위에서 설명된 바와 같이, 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 샘플링된 검출 신호(DS)로부터 복수의 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)을 도출하도록 구성된다. 이러한 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)은 타겟(TRGT)까지의 거리를 계산하는 데 사용될 수 있다.As described above, the pixel sampling circuit PXSMP is configured to derive a plurality of time event couples t1i and t2i from the sampled detection signal DS. This time event couple (t1i, t2i) can be used to calculate the distance to the target (TRGT).

픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 플래그 신호(R/F)를 전달하고 복수의 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)을 도출하도록 추가로 구성된다. 이들 모두는 검출 신호(DS)의 비동기 샘플링에 의해 수집된다. 검출 신호(DS)는 상승 부분(ta) 및 감쇠 부분(td)을 갖는다. 플래그 신호(R/F)는 시간 이벤트(t1i, t2i) 각각이 상승 부분(ta) 및 감쇠 부분(td) 중 어느 것에 관련되는지를 나타내도록 구성된다.The pixel sampling circuit PXSMP is further configured to deliver the flag signal R/F and derive a plurality of time event couples t1i and t2i. All of these are collected by asynchronous sampling of the detection signal DS. The detection signal DS has a rising portion ta and an attenuating portion td. The flag signal R/F is configured to indicate which of the rising portion ta and the decaying portion td each of the time events t1i and t2i relate to.

픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 적어도 2개 이상의 동작을 더 수행하도록 더 구성된다. 하나 이상의 동작은 샘플링된 검출 신호(DS)의 상승 부분(ta) 및 감쇠 부분(td)을 비동기식으로 샘플링하는 것이다. 비동기 샘플링의 목적은 간격(INTVL)의 일정하고 동일한 범위의 순차적 단계와 연속적인 진폭 레벨(AMPLVLi)에서 2개의 시간 이벤트 커플을 도출하는 것이다. 제2 동작은 각각의 시간 이벤트가 2개의 시간 이벤트(t1i, t2i) 중 어느 것에 속하는지를 표시하기 위한 목적으로 플래그 신호(R/F)를 전달하는 것이다. 다음으로, 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)과 플래그 신호(R/F)를 포함하는 데이터 파일(TMFL)은 클록 샘플링 신호(CLKSMP)의 전달에 따라 중간 메모리(INTMM)에 저장된다.The pixel sampling circuit PXSMP is further configured to perform at least two more operations. One or more operations is to asynchronously sample the rising portion ta and the decaying portion td of the sampled detection signal DS. The purpose of asynchronous sampling is to derive two time event couples at constant and equal range sequential steps of interval (INTVL) and successive amplitude levels (AMPLVLi). The second operation is to transmit a flag signal R/F for the purpose of indicating which of the two time events t1i and t2i each time event belongs to. Next, the data file TMFL including the time event couples t1i and t2i and the flag signal R/F is stored in the intermediate memory INTMM according to the transmission of the clock sampling signal CLKSMP.

각각의 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)은 제1 시간 이벤트(t1i)와 제2 시간 이벤트(t2i)를 가진다. 제1 시간 이벤트(t1i)에서, 제1 인덱스는 1로서 표시된다. 제2 시간 이벤트(t2i)에서, 제1 인덱스는 2로서 표시된다. 제1 인덱스 및 제2 인덱스는 플래그 신호(R/F)와 상관된다. 각각의 시간 이벤트(t1i, t2i)는 제2 인덱스 i에 의해 식별된다. 그 제2 인덱스 i는 진폭 레벨 AMPLVLij에 관련된다. 시간 이벤트(t1i, t2i) 각각은 2개의 측을 갖는 전이점(TRPNT)의 반대 측에서 저장된다. 시간 이벤트(t1i)는 전이점(TRPNT)의 제1 측에서 시간 파일(TMFL)에 저장되고, 시간 이벤트(t2i)는 전이점(TRPNT)의 제2 측에서 시간 파일(TMFL)에 저장된다. 수치적으로 더 낮은 인덱스 i를 갖는 시간 이벤트는 전이점(TRPNT)에 더 가까이 저장되는 반면, 수치적으로 더 높은 인덱스 i를 갖는 시간 이벤트는 전이점(TRPNT)에 더 멀리 저장된다.Each time event couple (t1i, t2i) has a first time event (t1i) and a second time event (t2i). At the first time event t1i, the first index is indicated as 1. At the second time event t2i, the first index is indicated as 2. The first index and the second index are correlated with the flag signal R/F. Each time event (t1i, t2i) is identified by a second index i. Its second index i is related to the amplitude level AMPLVLij. Each of the time events t1i and t2i is stored on the opposite side of the two-sided transition point TRPNT. The time event t1i is stored in the time file TMFL at the first side of the transition point TRPNT, and the time event t2i is stored in the time file TMFL at the second side of the transition point TRPNT. Time events with numerically lower index i are stored closer to the transition point TRPNT, while time events with numerically higher index i are stored farther to the transition point TRPNT.

열 검출기(THRDTC)는 비냉각식(uncooled) 검출기로서 또는 냉각식(cooled) 검출기로서 선택될 수 있다.The thermal detector (THRDTC) can be selected as an uncooled detector or as a cooled detector.

따라서, 화상화 장치(APP)를 구성하고 구현하기 위한 방법이 또한 설명되었다. 화상화 장치(APP)는 3D 열 화상기(C1), 신호 프로세서(SGNPRC), 레이저(LSR), 광학 스캐너(OPTSCN) 및 컨트롤러(CNTRL)를 포함한다. 방법은, 타겟(TRGT)으로부터 복귀된 방출 레이저 펄스(LP)로부터 아날로그 검출 신호(DS)를 도출하기 위해 저속 응답 열 검출기(THRDCT)를 사용한다. 방법은 검출 신호(DS)를 비동기식으로 샘플링하여 그로부터 각각 t1i 및 t2i인 2개의 시간 이벤트 시리즈를 도출한다. 또한, 방법은 (수학식 3)의 사용 및 (수학식 4.1), (수학식 4.2) 및 (수학식 4.3)의 사용에 의해 시간 Tbg을 도출한다. 그 후, 방법은 (수학식 5)의 사용에 의해 타겟(TRGT)까지의 거리(R)를 계산한다.Accordingly, a method for constructing and implementing an imaging apparatus (APP) has also been described. The imaging device (APP) includes a 3D thermal imager (C1), a signal processor (SGNPRC), a laser (LSR), an optical scanner (OPTSCN) and a controller (CNTRL). The method uses a slow response thermal detector (THRDCT) to derive an analog detection signal (DS) from an emitting laser pulse (LP) returned from a target (TRGT). The method asynchronously samples the detection signal DS and derives from it two time event series, t1i and t2i, respectively. The method also derives time Tbg by use of (Equation 3) and use of (Equation 4.1), (Equation 4.2) and (Equation 4.3). Then, the method calculates the distance R to the target TRGT by use of (Equation 5).

방법은 비냉각식 검출기 또는 냉각식 검출기로서 선택될 수 있는 열 검출기(THRDTC)를 사용한다.The method uses a thermal detector (THRDTC) which can be selected as either an uncooled detector or a cooled detector.

이 방법에서, 검출 신호(DS)는 상승 부분(ta) 및 감쇠 부분(td)을 가진다. 검출 신호(DS)는 이의 상승 부분(ta) 및 상기 감쇠 부분(td)에서 비동기식으로 샘플링된다.In this method, the detection signal DS has a rising portion ta and an attenuating portion td. The detection signal DS is asynchronously sampled in its rising part ta and said attenuating part td.

또한, 검출 신호(DS)는 일정하고 동일한 진폭 간격(INTVL)의 순차적이고 연속적인 진폭 단계에서 비동기식으로 샘플링된다.In addition, the detection signal DS is asynchronously sampled in sequential and successive amplitude steps at constant and equal amplitude intervals INTVL.

이 방법에서, 샘플링된 신호(SIGSMP)는 시간 파일(TMFL)에 저장된다. 샘플링된 신호(SIGSMP)는 전이점(TRPNT)에 대하여 대칭적인 패턴으로 시간 파일(TMFL) 내에 나열된다.In this method, the sampled signal SIGSMP is stored in a time file TMFL. The sampled signal SIGSMP is listed in the time file TMFL in a pattern symmetrical with respect to the transition point TRPNT.

검출 신호(DS)는 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)에 입력되기 전에 아날로그 전압 신호(Vo(t))로 증폭된다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 이중적(twofold) 기능을 갖는다.The detection signal DS is amplified into an analog voltage signal Vo(t) before being input to the pixel sampling circuit PXSMP. The pixel sampling circuit PXSMP has a twofold function.

검출 신호(DS)는 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)로의 입력을 위하여 아날로그 전압 신호(Vo(t))로 증폭된다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 적어도 2개의 기능을 갖는다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 제1 기능은 전압 신호(Vo(t))가 상승하고 있는지 또는 감쇠하고 있는지 여부에 대한 결정 및 표시를 다룬다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 제2 기능은 신호(Vo(t))가 다음 진폭 레벨(AMPLVLi)에 도달했는지 여부에 대한 결정을 다룬다.The detection signal DS is amplified into an analog voltage signal Vo(t) for input to the pixel sampling circuit PXSMP. The pixel sampling circuit PXSMP has at least two functions. A first function of the pixel sampling circuit PXSMP deals with determining and indicating whether the voltage signal Vo(t) is rising or decaying. A second function of pixel sampling circuit PXSMP deals with determining whether signal Vo(t) has reached its next amplitude level AMPLVLi.

픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 주요 전기 회로(MNCRCT)의 요소이다. 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 비동기 픽셀 샘플링 프로세스를 작동시키도록 구성된다.The pixel sampling circuit PXSMP is an element of the main electrical circuit MNCRCT. The pixel sampling circuit PXSMP is configured to operate an asynchronous pixel sampling process.

주요 전기 회로(MNCRCT)는 표준 샘플 및 홀드 회로(SMPHOL)를 포함한다. 샘플 및 홀드 회로(SMPHOL)는 지연 라인(DL)에 결합된다. 지연 라인(DL)과 샘플 및 홀드 회로(SMPHOL)는 도출된 데이터의 가능성 있는 내부 충돌을 방지하도록 구성된다.The main electrical circuit (MNCRCT) includes a standard sample and hold circuit (SMPHOL). A sample and hold circuit SMPHOL is coupled to delay line DL. Delay line DL and sample and hold circuit SMPHOL are configured to prevent possible internal conflicts of the derived data.

위에서 설명된 장치 및 방법의 예시적인 실시예는, 예를 들어, 공중 보건, 시민 안전 및 보호, 로봇 공학 및 차량의 안내와 내비게이션을 포함하는 카메라를 사용하는 산업 및 기기에 적용 가능하다.Exemplary embodiments of the devices and methods described above are applicable to industries and appliances that use cameras, including, for example, public health, civil safety and protection, robotics, and guidance and navigation of vehicles.

Figure pct00008
Figure pct00008

Claims (15)

3D 카메라(C1), 신호 프로세서(SGNPRC), 레이저(LSR), 광학 스캐너(OPTSCN) 및 컨트롤러(CNTRL)를 포함하는 화상화 장치(APP)에 있어서,
상기 장치(APP)는, i) 표준 열 화상화(thermal imaging) 및 ii) 거리 측정(range finding)을 위한 비동기 픽셀 샘플링 중 하나를 수행하고 상기 컨트롤러(CNTRL)에 의해 명령되는 바이모달 어레이(BMDARR)를 포함하고,
상기 바이모달 어레이(BMDARR)는 복수의 저속 응답 열 검출기(slow response thermal detector)(THRDTC)를 포함하고, 상기 저속 응답 열 검출기(THRDTC)의 사용에 의해 2D 열화상 및 정확한 거리 데이터를 생성하도록 구성되고, 상기 2D 열화상 및 거리 데이터는 상기 신호 프로세서(SGNPRC)로 전달되고,
상기 컨트롤러(CNTRL)는 상기 신호 프로세서(SGNPRC)로 전달되는 샘플링된 검출 신호(DS)로부터 복수의 시간 이벤트 커플(t1i, t2i)을 도출하도록 구성된 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)의 사용에 의해 거리 데이터를 도출하기 위하여, 상기 레이저(LSR), 상기 광학 스캐너(OPTSCN) 및 상기 열 화상기(C1)를 작동시키도록 더 구성되고,
상기 신호 프로세서(SGNPRC)는 상기 검출기 시간 응답에 대응하고 상기 검출기 시간 응답보다 우수한 정확도로 상기 거리를 계산하고 상기 2D 열화상을 상기 거리 데이터와 인터레이싱하여 3D 열화상을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치(APP).
In an imaging device (APP) including a 3D camera (C1), a signal processor (SGNPRC), a laser (LSR), an optical scanner (OPTSCN) and a controller (CNTRL),
The device APP is configured to perform one of i) standard thermal imaging and ii) asynchronous pixel sampling for range finding and a bimodal array (BMDARR) commanded by the controller CNTRL. ),
The bimodal array (BMDARR) includes a plurality of slow response thermal detectors (THRDTC), and is configured to generate 2D thermal images and accurate distance data by using the slow response thermal detectors (THRDTC) and the 2D thermal image and distance data are transferred to the signal processor SGNPRC,
The controller (CNTRL) obtains distance data by use of a pixel sampling circuit (PXSMP) configured to derive a plurality of time event couples (t1i, t2i) from the sampled detection signal (DS) passed to the signal processor (SGNPRC). further configured to operate the laser (LSR), the optical scanner (OPTSCN) and the thermal imager (C1) to derive,
characterized in that the signal processor (SGNPRC) is configured to calculate the distance with an accuracy corresponding to the detector time response and superior to the detector time response and interlacing the 2D thermal image with the distance data to generate a 3D thermal image; To do, the device (APP).
제1항에 있어서,
상기 바이모달 어레이(BMDARR)는 각각 2D 열화상 및 3D 화상에서 하나의 픽셀을 생성하는 복수의 저속 응답 열 검출기(THRDTC)를 포함하는, 장치(APP).
According to claim 1,
wherein the bimodal array (BMDARR) comprises a plurality of slow response thermal detectors (THRDTC) each generating one pixel in a 2D thermal image and a 3D image.
제2항에 있어서,
상기 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는,
간격(INTVL)의 일정하고 동일한 범위의 순차적 단계와 연속적인 진폭 레벨(AMPLVLi)에서 2개의 상기 시간 이벤트 커플을 도출하기 위하여 샘플링된 상기 검출 신호(DS)의 상승 부분(ta) 및 감쇠 부분(td)을 비동기식으로 샘플링하고,
각각의 시간 이벤트가 상기 2개의 시간 이벤트(t1i, t2i) 중 어느 것에 관한 것인지 나타내기 위하여 플래그 신호(R/F)를 도출
하도록 구성되고,
상기 시간 이벤트 커플(t1i, t2i) 및 상기 플래그 신호(R/F)를 포함하는 데이터 파일(TMFL)이 클록 샘플링 신호(CLKSMP)의 전달에 따라 중간 메모리(INTMM)에 저장되는, 장치(APP).
According to claim 2,
The pixel sampling circuit PXSMP,
The rising part ta and the attenuating part td of the detection signal DS sampled to derive the two said time event couples at sequential steps of constant and equal range of interval INTVL and continuous amplitude level AMPLVLi. ) asynchronously sampled,
Derive a flag signal (R/F) to indicate which of the two time events (t1i, t2i) each time event relates to
configured to
A data file (TMFL) including the time event couple (t1i, t2i) and the flag signal (R/F) is stored in an intermediate memory (INTMM) according to transmission of a clock sampling signal (CLKSMP) Apparatus (APP) .
제3항에 있어서,
상기 시간 이벤트 커플(t1i, t2i) 각각은 제1 인덱스가 1로 표시되는 제1 시간 이벤트(t1i) 및 상기 제1 인덱스가 2로 표시되는 제2 시간 이벤트(t2i)를 포함하고, 인덱스 1 및 2는 상기 플래그 신호(R/F)와 상관되고,
각각의 시간 이벤트(t1i, t2i)는 제2 인덱스 i에 의해 식별되며, 상기 제2 인덱스 i가 진폭 레벨(AMPLVLi)과 관련되고,
상기 시간 이벤트(t1i)는 2개의 측을 갖는 전이점(TRPNT)의 제1 측에서 상기 시간 파일(TMFL)에 저장되고, 상기 시간 이벤트(t2i)는 상기 전이점(TRPNT)의 제2 측에서 저장되고,
수치적으로 더 낮은 인덱스 i를 갖는 시간 이벤트는 상기 전이점(TRPNT)에 더 가까이 저장되는, 장치(APP).
According to claim 3,
Each of the time event couples t1i and t2i includes a first time event t1i with a first index of 1 and a second time event t2i with an index of 2, and 2 is correlated with the flag signal (R/F),
each time event (t1i, t2i) is identified by a second index i, which is associated with an amplitude level (AMPLVLi);
The time event t1i is stored in the time file TMFL at the first side of the two-sided transition point TRPNT, and the time event t2i is stored at the second side of the transition point TRPNT. stored,
A time event with a numerically lower index i is stored closer to the transition point TRPNT.
제1항에 있어서,
상기 열 검출기(THRDTC)는 비냉각식(uncooled) 검출기 및 냉각식(cooled) 검출기 중 하나인, 장치(APP).
According to claim 1,
Apparatus (APP), wherein the thermal detector (THRDTC) is one of an uncooled detector and a cooled detector.
3D 카메라(C1), 신호 프로세서(SGNPRC), 레이저(LSR), 광학 스캐너(OPTSCN) 및 컨트롤러(CNTRL)를 포함하는 화상화 장치(APP)를 구현하는 방법에 있어서,
타겟(TRGT)으로부터 복귀된 방출 레이저 펄스(LP)로부터 아날로그 검출 신호(DS)를 도출하기 위해 저속 응답 열 검출기(THRDCT)를 사용하는 단계;
상기 검출 신호(DS)를 비동기식으로 샘플링하여 그로부터 각각 t1i 및 t2i인 2개의 시간 이벤트 시리즈를 도출하는 단계;
Figure pct00009
(수학식 3)

Figure pct00010
(수학식 4.1),
Figure pct00011
(수학식 4.2),
Figure pct00012
(수학식 4.3)
중 하나의 사용에 의해 시간 Tbg를 도출하는 단계 - τ는 상기 저속 응답 검출기(DTCT)의 시정수이고, t1i는 제1 시간 이벤트이고, PW는 상기 레이저 펄스(LP)의 펄스 폭이고, t2i는 제2 시간 이벤트이고, tr은 상기 레이저 펄스(LP)의 상승 시간이고, tf는 상기 레이저 펄스(LP)의 하강 시간임 -;
R = c*Tbg/2 (수학식 5)
를 사용하여 상기 타겟(TRGT)까지의 거리(R)를 계산하는 단계 - Tbg는 비행 시간(time of flight)(TOF)임 -
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
In a method for implementing an imaging device (APP) including a 3D camera (C1), a signal processor (SGNPRC), a laser (LSR), an optical scanner (OPTSCN) and a controller (CNTRL),
using a slow response thermal detector (THRDCT) to derive an analog detection signal (DS) from an emitting laser pulse (LP) returned from a target (TRGT);
asynchronously sampling the detection signal (DS) to derive two time event series therefrom, t1i and t2i, respectively;
Figure pct00009
(Equation 3)
and
Figure pct00010
(Equation 4.1),
Figure pct00011
(Equation 4.2),
Figure pct00012
(Equation 4.3)
deriving time Tbg by use of one of: τ is the time constant of the slow response detector (DTCT), t1i is the first time event, PW is the pulse width of the laser pulse (LP), and t2i is a second time event, tr is the rising time of the laser pulse LP, and tf is the falling time of the laser pulse LP;
R = c*Tbg/2 (Equation 5)
Calculating the distance (R) to the target (TRGT) using Tbg is the time of flight (TOF)
Characterized in that, the method comprising a.
제6항에 있어서,
상기 검출기(THRDTC)는 상업적으로 이용 가능한 고품질 및 고속 검출기의 비용보다 적어도 한 차수의 비용이 드는 저속 응답 열 검출기(THRDTC)인, 방법.
According to claim 6,
wherein the detector (THRDTC) is a slow response thermal detector (THRDTC) that costs at least one order of magnitude less than the cost of commercially available high-quality and high-speed detectors.
제6항에 있어서,
상기 검출기(THRDTC)는 비냉각식 검출기인, 방법.
According to claim 6,
The method of claim 1, wherein the detector (THRDTC) is an uncooled detector.
제6항에 있어서,
상기 검출 신호(DS)는 상승 부분(ta) 및 감쇠 부분(td)을 가지며, 상기 상승 부분(ta) 및 상기 감쇠 부분(td) 모두에서 비동기식으로 샘플링되는, 방법.
According to claim 6,
wherein the detection signal (DS) has a rising portion (ta) and a decaying portion (td) and is sampled asynchronously in both the rising portion (ta) and the decaying portion (td).
제6항에 있어서,
상기 검출 신호(DS)는 일정하고 동일한 진폭 간격(INTVL)의 순차적이고 연속적인 진폭 단계로 비동기식으로 샘플링되는, 방법.
According to claim 6,
wherein the detection signal (DS) is asynchronously sampled in sequential and successive amplitude steps of constant and equal amplitude intervals (INTVL).
제6항에 있어서,
샘플링된 신호(SIGSMP)는 시간 파일(TMFL)에 저장되고, 전이점(TRPNT)에 대하여 대칭적인 패턴으로 그 내에 나열되는, 방법.
According to claim 6,
The sampled signal (SIGSMP) is stored in a time file (TMFL) and listed therein in a pattern symmetrical with respect to transition points (TRPNT).
제6항에 있어서,
상기 검출 신호(DS)는 이중적(twofold) 기능을 갖는 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)에 입력되기 전에 아날로그 전압 신호(Vo(t))로 증폭되는, 방법.
According to claim 6,
The detection signal (DS) is amplified to an analog voltage signal (Vo(t)) before being input to a pixel sampling circuit (PXSMP) having a twofold function.
제6항에 있어서,
상기 검출 신호(DS)는 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)로의 입력을 위하여 아날로그 전압 신호(Vo(t))로 증폭되고,
상기 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는,
상기 전압 신호(Vo(t))가 상승하고 있는지 또는 감쇠하고 있는지 여부에 대한 결정 및 표시를 위한 제1 기능, 및
상기 신호(Vo(t))가 다음 진폭 레벨(AMPLVLi)에 도달했는지 여부에 대한 결정을 위한 제2 기능
을 갖는, 방법.
According to claim 6,
The detection signal (DS) is amplified into an analog voltage signal (Vo(t)) for input to a pixel sampling circuit (PXSMP),
The pixel sampling circuit PXSMP,
a first function for determining and indicating whether the voltage signal (Vo(t)) is rising or decaying; and
A second function for determining whether the signal Vo(t) has reached the next amplitude level AMPLVLi
Having, how.
제13항에 있어서,
상기 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 열 화상화 및 거리 측정을 위한 비동기 픽셀 샘플링을 수행하도록 구성된 바이모달 어레이(BMDARR)에 통합되는, 방법.
According to claim 13,
wherein the pixel sampling circuit (PXSMP) is incorporated into a bimodal array (BMDARR) configured to perform asynchronous pixel sampling for thermal imaging and distance measurement.
제14항에 있어서,
상기 픽셀 샘플링 회로(PXSMP)는 주요 전기 회로(MNCRCT)의 요소이고, 상기 비동기 픽셀 샘플링 프로세스를 작동하도록 구성되며,
상기 주요 전기 회로(MNCRCT)는 지연 라인(DL)에 결합된 표준 샘플 및 홀드 회로(SMPHOL)를 포함하고, 마지막 2개는 도출된 데이터의 가능한 내부 충돌을 방지하도록 구성되는, 방법.
According to claim 14,
the pixel sampling circuit (PXSMP) is an element of the main electrical circuit (MNCRCT) and is configured to operate the asynchronous pixel sampling process;
wherein said main electrical circuit (MNCRCT) comprises a standard sample and hold circuit (SMPHOL) coupled to a delay line (DL), the last two being configured to prevent possible internal collisions of derived data.
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